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

НОВОСИБИРСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЭНАМШИ ИШЕЯЕРЯО-СТРОИТЕЛЬНЫЯ ИНСТИТУТ им. З.В.КУЙШШШ

lía правах рукописи

1гл:;г.0'гь АлдроЙ Александрович

УДК 624.014.072.336.32:624. Ш6! 53Э .4

lira ПОЕДЗЕНШ ИСЕЙЖЮСГЛ ннштивсш ГЕЗРАСКОСНЫХ

05.23.01 - Строительные конструкции, зданая н сооружения

Автореферат

диссертация на сонсзсагаю ученой степени кандидата технических наук

hoKjckiíijjtíK ь;ю

Работа выполнена на кафедре металлических конструкций Новосибирового ордена Трудового Красного Знамени инженерно-строительного ■истиут?! им. В.В.Куйбышева

доктор технических наук, профессор В.В.Биршёв

доктор технических наук, профессор Г.И.Белый

Научный руководитель -Официальные оппоненты -

Ведущее предприятие -

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

Казахское отделение ЩШИпроектоталькоиструкция Госстроя СССР

Защита диссертации состоятся "2-9 и октября 1990 г. в 15 чаоов в ауд. 406 на заседании специализированного совета К.064.04.01 при Новосибирском инженерно-строительном институте им. В.В.Куйбышева по адресу: 630008, г.Новосибирск-8, ул. Ленинградская, ИЗ, .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-ыо, просим направлять в адрес специализированного совета

Автореферат разослан сентября 1990 г.

Ученый секретарь специализированного совета

канд. техн. наук, доцент {{ Й.13.Ге:щ;:

гтб-яшГ

> I

I :

1 ОВЧАЯ ХАРАКТЕИ1СШКА РАБОТУ

темы. Современный этап рззвития строитель— й индустрии характерезуется совершенствованием металличес-х конструкций, которое направлено на повышение служебных честв, снижение металлоемкости, трудоемкости и стоимости готовления и монтаяа.

В некоторых областях промышленного и градцанского сгрон-льства с успехом применяются металлические без раскосные фер-В основном они испольэукгтся когда в пределах меэдуэтаяннх рекрытиЗ или покрытий необходимо разместить крупногабарит-:з шшенерккв коммуникации: различные технологические трубо-юводы, вентиляционные короба, воздуховода системы кондлци-мрования воздуха и т.п. Другой областью применения безраскоса ферм является организация технических этажей, потребность которых часто возникает кате в промышленных, так и в граяи-ш-шх зданиях. Таким образом, применение б^зраскосных ферл оп-шдано, когда в наиболее полной мерз используется их неотъем-жо8 свойство, связанно? с возможностью предоставить д.тя /дд технологических или иных процессов, протекающих в зда-ж пли сооружении, больших не затенённых раскосами пространств эдцу поясами.

В последние годы в связи с тенденцией увеличения доли .эдгоэта^ных производственных зданий с укрупненной сеткой элонн (12x6, 12x12, 18x6 м) и размещением в них современных ауяоемких производств с часто меняющейся технологией и тре-уюпрос весьма развитых сетей различных производственных тру-опроводов, систем вентиляции и кондиционирования воздуха, азмещения вспомогательного оборудования в технических эта-все чаще появляется необходимость в применении в качеств балочных систем металлических безраскоскых ферт с параллельными поясами, в наибольшей степени удовлетворяющих этим

'словияи.

Однако, активное распространение таких конструкций одаривается повкгвеннш расходом металла. Вместе с тем, возмож-юстп эконогяш металла в них еще далеко не исчерпаны. Дан-1ая работа направлена на снижение металлоемкости безраскоскых фзрм. Консультации по отдельным вопросам расчета даны к.т.н. доцентом В.Г.Себешевш.

. работа является повышение эффективности металличес-

ких боз'раскосньсс фер?,: с параллельными поясами путем оптюляза-ции их геометрических-мапаметров и более полного использования резервов Несущей способности за пределами упруго^ рабйты;-Щ|И-о том поставлены следующие основные задачи.:. "" '

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

2. Оптимизировать геометрические параметры безраскосных ферм с заданной то полотей.

3. Разработать инженерную методику определения усилий в безраскосшх формах в пределах упругой работы.

•1. Разработать методику определения предельно;! несущей способности по прочности безраскосных ферм с учетом пластических свойств материала.

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

Кроме того, в связи с тем, что на нефте- и газопромыслах Западной Сибири скопилось большое количество некондиционных труб нефтяного сортамента, которые уяе не могут бить приманена пэ прямому назначешпэ и здут использования на местах, в том число ..в строительстве, в число задач включена следующая:

-6..Разработать несудае конструкция покрытия в виде безраскосных форм с поясами из некондиционных труб нефтяного сортамента на пролеты 9...18 м и экспериментально проверить их работоспособность.

- Научная новизна работы состоит в следующем:

получена оптимальные при заданной топологии геометрические параметры (высота, распределение изгибшх жесткостай элементов) металлических безраскосных ферм пролетом 12 и 16 и ез "прокатных двутавров;

- разработала метелика приближошгаго определения'усилий в безраскосных фермах п*.. гтетричпои нагрукешш;'

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

- получены результаты экспериментальных исследований -крупномасштабных моделей стальных безраскосных ферм; - - -

- разработана конструкция безраскосной фермы с поясаш из некондиционных труб нефтяного сортамента для применения в покрытиях каркасов вспомогательных про^водстветшых зданий, возводижх в отдаленных и труднодоступных районах нефте- и газопрошслов Западной Сибири. Получены результату испытаний таких конструкций.

Практическая ценность работы. Разработаны инженерная методика вычисления усилий в безраркосшк фермах и методика определения предельной несущей способности таких конструкций, реализованная в виде программы для ЭВМ, применимые к непосредственному использованию в проектировании. Даны рекомендации по рациональному назначению основных геометрических параметров ферм. Разработана несущая конструкция покрытия на пролеты 9...18 м для применения в каркасах вспомогательных производственник зданий, возводимых в отдаленных и труднодоступных районах нефте- и газопрошслов Западной Сибири, в которых в качестве поясов используются имеющиеся в этих районах негодные к применению по прямому назначению трубы.

Внедрение результатов. Прегради 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 сортамента приняты трестом '"Гюменгазоргтехстрой", ПО "Ямбурггаздобыча", трестом "Ямбург-стройгаздобыча" для применения при строительстве вспомогательных производственных зданий на промыслах Западной Сибири.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуздены:

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

- на научно-технической конференции "Строительные конструкции в экстремальных условиях эксплуатации" Иркутск, 1930г.

Полностью работа доложена на заседании кафедры металли-чеоглк конструкций ¡П'СК им. Б.3.Куйбышева, 1йИ0 г.

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

Содержание работы изложено на 217 страницах, в том числе 134 страницы основною текста, 75 рисунков, 16 таблиц, список

литературы из 135 наименований, 4 приложения.

СОДЕРНАЩЕ РАБОТЕ

Во введении обосновывается необходимость проведения ; следований металлических безраскосных ферм с целью повыше их эффективности.

В первой главе приведены характеристика, пример! прп ння и конструктивных решений металлических беэраскосных § Дан краткий обзор теоретических и экспериментальных иссле ваний.

Проанализированы положительные качества таких констр ций, среди которых необходимо отметить достаточное постоя суммарных усилий в поясах от изгибающего момента и осевой лы, что позволяет наиболее полно использовать постоянное ние пояса по всей длине фермы, сравнительно малое количес элементов в конструкции, проотота решения узлов, низкая 1 доемкость изготовления. Отмечены недостатки, главным из 1 рых является несколько повышенный расход металла.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями < раскосных ферм в разное время занимались А.П.Березин, Б.] леркин, Е.В.Горохов, М.М.1Ъхберг, В.Н.Демокритов, В.М.Клз А.Ф.Кочетков, Я.М. .Пихтарников, Н.А.Шшуа, Г.П.Передерга, А.А.Прихожан, В.В.Пясецкий, Н.С.Стрелецкий, В.В.Холопцев А.А.Чнрас, Г.А.Шапиро, В.Н.Юшкевич и другие. Из зарубеяш исследователей следует отметить таких как Ф.Бяейх, Ф.Брэ Ф.П.Вислингер, Г.Гарфинкель, Дж.Карни, Р.М.Корол, Е.Лайт Р.Редвуд, Г.-Ю. Симоне, А.Шехата, С.Шриваотава и другие.

Основное внимание исследователей сосредотачивалось вопросах упругого расчета безраскосных ферм с различной метрией. Практически отсутствуют исследования таких коне ций в упругопластической стадии работы. Выполненные иссл ния по оптимизации безраскосннх ферм малочисленны и не V в достаточной степени удовлетворить запросы проектировав

Во втотх?й главе проведено сравнение по различным по телям металлических безраскосных ферм с другими конструг при размещении в пределах перекрытия или покрытия шьт.е;« коммуникаций. Изложен алгоритм поиска оптимальных геомо'; ческих параметров металлических безрасКоскых форм прп зг

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 тлеют меньшую массу, чем составные двутавровые балки с отверстием в стенке и балки с перфорировал ой 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 безраскосных ферл 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 коммуникаций и снижением уровня нагрузки.

С целью оптимизации геометрических параметров рассмотрены безраскосные 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 (с^ ) 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 виде:

найти ПИП | IX) (I) при $(РД)=0 (2), д(р,х)$о (3), ^¡^ЭС^ОС^ , .....ГО <4>'

где - целевая функция, X - вектор варьируемых параметров размерности ГЛ , "Р - вектор параметров состояния.

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

гд8 ^р — плотность стали; - площадь сечения поясов; ^с- коэффициент, учитывающий действительную длину стоек, ко-тораяуипшв П на высоту сечения пояса; Пс - количество сто ек; Кг - условная длина ребра жесткости в поясной двутавре; ^ — строительный коэффициент.

Ограничения-равенства (2) описывают уравнения состояния фермы (условия равновесия узлов, неразрывности деформаций). О граничения-неравенства (3) представляют собой проверен, регламентированные СНиП по прочности, устойчивости, предельной гибкости; стержней, а тапке по прогибу фермы. При решении задачи достигалось непрерывное изменение размеров сечений стер жней. Для любого значения , принятого за основную характеристику сечения, с помощью линейных сплайнов определялись другие необходимые характеристики. После получения результата сечевик элементов корректировались в соответствии с сортаментом.

Зависимости параметров состояния (усилий в стержнях и прогибов) от варьируемых параметров определены в явной виде. С »той целью в области Здо* генерировались пробные

точив X . В них производился статический расчет ферм. 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 фер«е пролетом 12 м находились в пределах 0,9...3,6%; в ферме пролетом 18 и - 1,1...6,6%.

В результате математическая модель задачи записана в виде

найти Ш1П|(Х) (6) при (7),

£ — (8) * где р*(х)*р(х).

Сфорлуллроваояая задача решалась с погложи метода побитного

внешнего штрафа в сочетании с методом деформируемого многогранника Нелдера-Мида. < .

При реализации из лоханного алгоритма использовались программные модули, входящие в комплекс программ расчета и оптимизации конструкций "HOCK", 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 лН (16,7 кН/to), 100 кН (33,3 кН/м) и 150 кН (50 яН/ы); пролетом 18 м - при F = 50 и 100 кН.

По результатам выполненных расчетов построены графики зависимости массы конструкции от ее высоты для каждой интенсивности нагрузки и Rj, при оптимальных сечениях элементов и значениях d^ , по которым определены интервалы оптимальных высот. Отмечено, что они несколько возрастают при увеличении нагрузки. Для ферм пролетом 12 м они составляют I/II...I/1Í ; пролетом 18 м - I/I3...I/э1 (больше значения соответствуют более высоким уровням нагрузки). Также построены зависимости, определяющие оптимальные распределения изгабннх гестко-стей элементов в ферме при различных F п ^ как в областях оптимальных высот, так и за их предвлсии.

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 го сравнению с применением метода КЗ, использовать ЭВМ малого класса, в частости персональные. Она применима для ручного счета.

Рассматриваются симметричные свободно опертые без рас косные фермы с параллельными поясами одинакового сечения, произвольными длинами панелей и жестко с тяга стоек, натруженные симметричной узловой нагрузкой.

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

Л8Е0Й (в пределах панели) стойки СЦ =<£;сИ; ( - длина панели). Коэффициент X; определяется как^отношение изгибающего момента в поясе у левой стойки М к общему моменту в поясе щпределах панели М;* - &;,( «; : ¿С; = К; ( ь 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 середине.

При рассмотрении I -й панели положение НМТ в 1-1 панели известно из предыдущего расчета. Положением НМТ в 1+1 панели необходимо предварительно задаться. Для этого проведен статистический анализ более 230 выполненных на ЭВМ по МКЭ расчетов безраскосных ферм, имеющих от 7 до 10 панелей с варьированием основных геометрических параметров. Выявлены общие закономерности расположения ID.IT в поясах в зависимости от полонения панели к 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

. ^ -- (9)

где слагаемые А;, В: _ С;, 0; ( , Т к представляют собой выражения,, зависящие от геометрических параметров ферлы и характера распределения нагрузки. - геометрическая характеристика 1+1-й стойки. Для панелей, примыкающих к оси симметрии ферлы имеющих свои особенности, как при четном, так и при нечетном количестве панелей в конструкции, такке получены формулы для определения <С .

После вычисления коэффициентов оС для каздой панели становится известно положение НМТ в поясах и, следовательно, изгибающие моменты в них. Зная их распределение, остальные усилия в стерших фермы определяются по общепринятым.прави;-'лам строительной механики. * '

На основе метода расчета по этайаь? с постепенно понята-

ющейся степенью статической-неопределимости системы при образовании шарниров'пластичности, становление которого связано с именами А.А.Гвоздева и"Н;~С.Стрелецкого, разработана методика определения предельной несущей способности металлических безраскосных ферм. ■,..•'■

Рассматриваются свободно опертые фермы с параллельными поясами, произвольными длинами панелей и жесткостями стоек, нагруженные произвольной системой вертикальных узловых сил. При этом полагается, что: материал фермы следует идеализированной диаграмме Прандтля; сопряжение элементов в узлах г,.3-солютно жесткое; линейные перемещения узлов малы по сравнению с размерами ферглы; устойчивость стержней и конструкции в целом обеспечена; справедлива гипотеза плоских сечений; образование каздого шарнира пластичности происходит мгновенно, а в промежутках между их образованием ферла работает упруго; реализуется простое статическое нагружение.

Условие предельного состояния симметричного двутавра, а также других фор: ссчсннй стершей, приводимых к двутавру, при дейст-.ии в сечении М , Ми 0. в плоскости стенки, записано (по В.Г.Себеяеву) в виде:

если нейтральная ось в пределах стенки + =

(Юа)

если нейтральная ось в полке

а 4 4 м [Ам ~1^- "т ]+0 > <1об)

гае и - м^ДС, г^ьи/ьй, (vC.bC,а;-

- предельные язгибштай момент, продольная и поперечная силы в случае чистого изгиба, растяжения и сдвига соответственно); \//п\ - пластический момент сопротивления сечения; А > Аь ?{, , , ^ ( - геометрические характеристики сечения; ^ - коэффициенты, зависящие от размеров сечения:

% - коэффициент, зависящий от принятой модели распределения касательных напряжений по сечению.

Расчет начинается с вычисления усилий Ми, Ми. Ои в стержнях фермы и прогабов ферш от единичной нагрузки. Затеи делением предельных иэмантов Мм« выраженных жэ (ХО) через Ми, & в на Ни в начале и конце каждого стержня определяются нагрузочные коэффициенты ( К* 3 Ми/Ми), вз которых выбирается наименьший К? мш • Он показывает на сколько необходимо увеличить единичную нагрузку, чтобы в ферю образовался первый шарнир пластичности.

Для вычисления предельных моментов в стержнях необходимо знать соответствующие значения Ми к чм в них, которые еще не определены. Поэтому применен метод последовательных приближений. В качестве начального значения предельного момента принят Мп» • Вычислив нагрузочные коэффициенты во всех стержнях, определяется минимальный из них Кг«»« . Затеи вычисляются усилия в стержнях

м«, м» к,*, Ыи. й * к*«* си*. (и)

По их значениям определяются Мал. (отличные от ГС) , далее находится новый К г »<« , по которому в свою очередь вычисляются N и Ц и т.д. Процедура уточнения. Мм и заканчива-

ется когда выполнится условие

~ Кр*,,. 1 , (12)

где - требуемая точность расчета; £ - номер итерации. После этого становятся известны: нагрузка, при которой образуется первый шарнир пластичности в сечении, для которого нагрузочный коэффициент оказался наименьшим р = Кгы«; все возникающие при этом усилия в стержнях, которые вычисляются по (II), и прогибы ферла в узлах кишего пояса Кр„

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 ва первом этапе. В результате определяется место образования второго шарнира пластичности и соответствующие нагрузка, усилия в стертая* и прогибы. При этом учитывается, что в ферме узее имеются накоплении« усилия и прогибы. Нагрузка, при которой образуется второй азрнир пла-

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

Следует заметить, что при увеличении нагрузки на втором втапе возрастают осевые и поперечные усилия в сечении, где образовался первый шарнир пластичности, и равновесие в нем нарушатся. Чтобы исключить перёнапрянение этого сечения, в нем прикладывается дополнительный противополозио направленный момент такой величины,' чтобы скова уравновесить сечение, и производится расчет системы с двумя шарнирами на ого воздействие. Вычисленные дополнительные усилия складываются с полученными ранее для второго этапа. Расчеты показали, что влияние дополнительных N и 0 на предельное равновесие сечения со вторым шарниром пластичности весьма незначительно (менее 0,6?) и его пересчета Ее требуется. Таким образом, определены все необходимые параметры фермы при образовании второго гарнира пластичности.

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

НэлоггнныЗ расчет реализован в разработанной автором программе В результате работы программы определяют-

ся: последовательность образования шарниров пластичности; положение каждого из них и значение нагрузки, при которой он збразуется; значения усилий в стеркнях в момент появления эчередного шарнира пластичности; окончательное распределение зарниров и предельная нагрузка, при которой в ферме реализу-втся механизм. По программе "ЙАВР" рассчитаны модели без-раыгзных форм (см. гл.4). При этом исследовано влияние поперечных сил в стержнях на предельную нагрузку. Показано, что тх неучет лркзодит к превышению предельной нагрузки в некоторых случаях до 15,5$.

В конце главы приведен обпдай порядок расчета безраскос-шх ферм.

В четвертой главе представлен!! результаты экспериментальных исследований работа безраскосных ферм на крушомас-атабкых моделях.

Пролет моде чей, имеквдд дасть панелей одинаковой длины, вставлял 3,6 м. Пояса выполнены из —то кап го го двутавра Л 12. Iгл изучения влияния изменения геометрических параметров ферм !а их несуиую способность нсгшг'-.-г псь но доли разио'1 высота

с различными изгибными жесткостями стоек. Модели группы А имели высоту по осям поясов 290 мм <1/12£), Б - 360 (1/10 ^), В - 450 (1/81 ). Стойки выполнялись трех типов: I тип - из двутавра % 12 ( П = 350 см4), 2 тип - стойки прямоугольного сечения 90 х 32 им ( 3 = 194 см4), 3 тип - 90 х 20 Ш ( 3 = 122 см4). Всего испытано II моделей.

Испытания проводились в специально изготовленной установке. Загружение осуществлялось в узлах верхнего пояса с одинаковым усилием пятью гидравлическими домкратами ДГ-10.

Результаты тензометрирования показали, что разработанная инженерная методика расчета без раскосных ферм в упругой стадии работы с достаточной достоверностью отражает кх действительную работу. Испытательные коэффициенты, представляющие отношение Фактической нагрузки, вызывающей напряжения <5т в наиболее наг—'-лейком сечении конструкции, к вычисленной с помощью 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 непрерывной подаче масла в домкраты. Испытания моделей безраскосных ферл показали, что они обладают большими запасами 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 "ЯАВР", находятся в интервале 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, соответствующей исчерпанию упругой работы и предельной несущей способности моделей, в связи с изменением изгиб-ной жесткости стоек в зависимости от высоты конструкции. Установлено, что при высоте Ь = 1/10Ь и постоянном отношении

дяны панели к высоте а /и =1,67 наиболее рациональными ззляются стойки, для ко торга коэффициент

:аходится в пределах 1,2...2, При V\ = 1/8? и À /V =1,33 ^ = 1,0...1,8.

Действительные прогибы испытанных моделей при нагрузке, ¡оставляющей 75$ от расчетной (упругой), находились в преде-гах 1/327...1/277£ . Прогибы, Еычисленныа по формуле Мора ! учетом изгибающее моментов, осевых и поперечных сил в стернях, достаточно близки к действительным упругая прогибам. Экспериментальные значения составляли 0,86...1,09 от теоретических.

Пятая глаза поезкцена разработке и исследованию несущих отнетрукций покрытая с поясами кз некондиционных труб нефтя-îoro сортамента.

При освоении новых и обустройства уже действующих нефтегазоносных месторождений Западной Сибири возникает необходимость строительства там вспомогательных производственных зда-и5й (ремонтно-чеханические мастерские, гаражи, склады, навесы зля хранения оборудованияи т.п.) пролетом 9...18 м. Часто эни призваны служить всего несколько лет.

Непосредственно на местах строительства тлеется большое количество некондиционных труб нефтяного сортамента, которые по тем или иным причинам уже не могут быть применены по прямому 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 значительное количество таких труб.

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

ПбяВляетсй возможность использовать часть некондиционных труб,"'1 которые имеют незначительные повреждения (но исключающие их применение по прямому назначению), в качестве эле-кбитЬв"йебущях"конст^у1ащЙ' каркасов вспомогательных производственных ' Зданий' в' тех'жё районах. Д-чя этак 'целей пригодны, например,' обсадные трубы с 'несоответствием размеров ГОСТу, с

повреждениями резьбы, трубы, у которых при гидроиспытаниях об наружена 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 скважинах 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-срома и Ш "Яыбурггаздобыча" разработаны несущие конструкции покрытия в виде безраскосной фермы о поясами из некондиционных труб нефтяного сортамента (рис.2). Каждый 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 испытания 3 конструкций пролетом 6 м. Они показали, что операции по оборке не вызывают затруднений и вполне выполнимы в условиях строительной площадки. Сравнение результатов тен-зометрирования о теоретическими значениями напряжений в элементах, вычисленными о помощью разработанной методики расчета безраскосных ферм, свидетельствуют, что последние вполне удовлетворительно описывают напряженно-деформированное состояние конструкции. Максимальное расхождение экспериментальной нагрузки исчерпания упругой работы с расчетной по трем фермам составило 12% в запас прочности. Необходимо отметить довольно высокие (до 6470 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^ мепьпе.допустимой нордами.

Испытана также 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 вспоиэгательных производственных зданий в отдаленных и труднодоступных районах нефте- и газопромыслов. Стоимость "в деле" поперечной рама каркаса пролетом 12 м из некондиционных труб нефтяного сортамента на 9/С 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 эффектам находят достойное применение отбракованные трубы.

основные вывода

. I. В современных промышлешгах 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 меядуэтаяных-перекрытий все более настойчиво I.появляется 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. Выявлены интервалы оптимальных высот: для ферм пролетом 12 м - 1/11...1/7^ ; для ферм пролетом 18 м - 1/13...1/9 I. Подтверждено, что с позрастанием нагрузки оптимальные высоты несколько увеличиШ-

ются. Для ферЛ с различной0высотой получены оптимальные распределения изгибных несткостей 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 стержня] учитывающая при этом деформации как от изгиба, так и от осевых и поперечных сил.

4. На основе метода расчета,, учитывающего поэтапное об-..-ование шарниров пластичности и понижение степени статической неопределимости системы, разработана методика определение предельной несущей способности по прочности безраскосных фер 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. Расчет! показали необходимость учета действия поперечной силы в уравнении предельного состояния сечений стершей. Неучет её приводит к превышению предельной нагрузки, в частности для испытанных моделей до 15,5$ и до &% 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 способное! при использовании упругоплаг"''"ческой стадии работы. Нагрузка увеличилась на 31...78$ 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 натру; ки превышают расчетные по нормам (с учетом ограниченных пластических деформаций) до 175? (в среднем на 12,5%), что позволяет более полно использовать резервы несущей способности безраскосных ферм.

6. Подтверждена также приемлемая достоверность предложен 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. Прогибы моделей при нормативной нагрузке, составляющей 1Ъ% от расчетной, находятся в диапазоне 1/327...1/277t , т.о. в нормативных пределах,

7. Разработаны бвзраскоснш фврд! с поясами из некондиционных 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 половим массы стали составляют некондиционные трубы; остальной металл в виде стоек поступает с завода металлоконструкций. Сборка конструкций производится на болтах без применения монтакной сзарки,-

8. Испытания ферм с поясами из труб нефтяного сортамента пролетом 6 м показали, что они обладает 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 э слодукцих работах:

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

2. Еиршев В.В., Кикоть A.A. Экспериментальные исследования моделей безраскосных ферм // Строительные конструзсции зданий и сооружений: Межвуз. сб. трудов / АПИ, 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.- IS00.- И 10.

5. Кикоть A.A., Себеиев Програтаа для вычлслвнля предельной нагрузки стальных безраскосных _ерл // Ипфор*. 'листок,202-30.- Новосибирск: .'ШТ.!, I9'J0.- 3 с.

сх ,.....-

? % а+

Зсь Зс4 Зс5

< А Ч <1. Ъоао [ гооо 3 ООО

£ = 48ооо

РиоД. Схема оптимизируемой безраскосной фермы пролетом 18 )

у*—г-у. )

г"1'....... 1 №....... ч ..........

клряним^. 3 ......

столик ли оццрл-ии» ПРоГОИО».

\

а узел а

i '\vmkiov

-те

ищ ггптп пiп

я

51 -

i

V-

-V

Рио.2. Безраскосная ферма с поясами из некондиционны: труб нефтяного сортамента