автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа изгибаемых стержней из тонкостенных гнутых профилей с учетом влияния редуцирующих и конструктивных факторов

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский и проектный институт строительных металлоконструкций имени Н. П. Мельникова

Т6 од Ц Н И И П С К им. Мельникова

- 5 ИЮН -ь^Р

На правах рукописи

БОБАРЫКИНА Ольга Борисовна

УДК 624.071.3-45.00.2.2

РАБОТА ИЗГИБАЕМЫХ СТЕРЖНЕЙ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ С УЧЕТОМ ВЛИЯНИЯ РЕДУЦИРУЮЩИХ И КОНСТРУКТИВНЫХ ФАКТОРОВ

05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва — 1995

Работа выполнена в Центральной научно-исследовательском и проектном институте строительных металлоконструкций имени Н. П. Мельникова.

Научный руководитель:

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Беляев Владислав Федорович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Москалев Николай Сергеевич

кандидат технических наук, старший научный сотрудник

Каленов Владимир Викторович

Ведущая организация—ВДХО АО «Промстальконструк-ция».

Защита диссертации состоится г.

в _часов на заседании диссертационного Совета

Д 033.12.01 по защите докторских диссертаций по специальности «Строительные конструкции, здання и сооружения» при ЦНИИПСК им. Мельникова по адресу: 117393, Москва, ул. Архитектора Власова, 49-

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИПСК им. Мельникова.

Просим Вас принять участие в защите и направить Ваш отзыв в 2-х экземплярах по адресу: 117393, Москва, ул. Архитектора Впасова, 49, ЦНИИПСК им. Мельникова, диссертационный Совет.

Автореферат разослан «, _г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета Д 033.12.01, кандидат технических наук

Т. С. ВОЛКОВА

СЕДАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАВОШ

Актуальность тем». Для прогрессивного развития а области строительного комплекса требуется постоянное совершенствование методов расчёта, проектирования, изготовления и монтажа строительных конструкция. Главным принципом отечественной школы проектирования металлоконструкций является совместное достижение трех основньос задач: экономия стали, повышение произзодительнос-ти труда при изготовлении, снижение трудоемкости и сроков монта-ка, которые в совокупности определяют стоимость конструкций в деле. В настоящее время в связи с резким подорожанием стали и алюминия как основных материалов дгя строительных металлических конструкций существенное значение имеет сникшие мэтадлсексззстг. конструкций. Достичь этого можно кэскольктая; путями использование металла с более высокими - шхвяичвскими характеристиками, включение сопрягаемых элементов конструкций в совместную работу и так далее. Ели годное увеличение объёмов применения металлов з строительстве и, в частности, на строителъиыэ матадличесюш конструкции, требует соблюдения режима строгой экономим, существенного сокращения удельного расхода металла, иначе говоря, повыяэ-ння рациональности его использования.

Успепная реализация прогрессивных идей в практика мэтадлос-тролтельства зребует значительного углубления к расширешгя ксс- ' гэдований в области теор'.гл формообразования несущее изтагязгагге-трукцнй, :гаучаикя их работ в сооружая** и разработка на этой осина аффшггкзкых катодов провктироязетп п теоретического ана- . ига а.

В кэстоттк» зрекя □>гсюе прямэкэкпв во 2еом мире подучили г$гкяэ метакорасквв ковегрукц?» пз гпупгг про&г-гэЗ. Гнугнэ про-

фшм в промюленно развитых странах применяются в конструкциях зданий и сооружений различного назначения. Такому широкому применению гнутых профилей способствует следующие фаеторьи

- экономия стали по массе от применения гнутых профилей по сравнении с традиционными прокатными профилями;

- создание дешевых высокоэффективных станов со сменными клетями;

- возможность разработки разнообразных и эффективных форм гнутых профилей, их анализ методами конечных элементов на современных персональных компьютерах ( ПЭВМ );

- положительные результаты экспериментальных исследований металлоконструкций из гнутых профилей и создание нормативных документов по расчету и проектированию таких конструкций;

- возможность более эффективного использования технических возможностей существующего заводского оборудования по нанесению надёжной антикоррозийной защиты на сравнительно мелкоразмерные элементы из гнутых профилей по отношению к элементам традиционных конструкций.

В кашей стране в последние десятилетия возрос интерес к применению гнутых профилей в ограждаюцих и несущих конструкциях промышленных зданий. Однако объём применения таких профилей у вас значительно меньше, чем за рубежом. Это объясняется рядом причин:

- недостаточной производственной базой по изготовлению гнутых профилей, хотя в настоящее-время ряд заводов оснащён оборудованием для производства таких профилей ( в Челябинске, Златоусте, Сан кг-Петербурге, Первоуральске, Выксе и других );

- отсутствием достаточно разработанной нормативной базы по проектированию экономичных металлоконструкций из гнутых профилей.

Работа элементов из таких профилей имеет ряд отличительных особенностей, обусловленных токкостенностью профилей, их повы-

енноД дофоркагивностх/о, несншетричзгасГйЮ сечений, начальными эсоверщенствами форш и другими ¿акторами. Гнутыэ профили из-за аклёпа при переходе черви пластическую стадии работы металла риобрегакт иное качество: гкутьт) профили становится как бы эле-энтом из стали обычной прочности, арммрова-шой продольны).« уп-эчнёиными полосами, что позволяет в зарубежной практике считать !утие профили "профилям повшжзккоЯ касткостк". Это более соот-¡тствует их действительной работе и даёт запас прочности и ус-¡йчивости. Это иэ подтверждается и натурными испытаниями, но в | т время является парадоксальным с точки зрения анализа рабо-| гнутого профиля при использовании традиционных методов счёта, основанных в основном на теории сопротивления материа-в. Например, чем больше перегибов в поперечно« сечении, тек лызэ прочность и жёсткость гнутого элемента, '«то нельзя полу-ть по сущэствупцим практическим иетодтвш расчёта действующа рм.

Методики расчета, содержащиеся в отечествеиных нормативных <ументах, основаны на эмпирических формула* для проверки насу-1 способности, а такта па зарубежных нормах многолетней дав-:ти, положения которых сегодня устарели, а их изменения для гтих профилей и последующих редакциях не капли отражения в »чэственных нормах. В связи с этим существующие в России нор-'нвныэ документы но позволят1 разрабатывать эконошчнда и наяна конструкции из гнутых профилей для аирокой области -их ыокного применения в строительстве. Дэдья раДоты является кссходааанкз работы кзпгбяеюа бз*оч-элемзнтоз гажструкцчй покрытия из тонкостенных гнутых профл-с учётом влияния- родукцетнигх кйаф^ициектоз запаздывания КГОВЫХ Двугр/ОЦИЙ '! устойчивости, коаструхтнпних ¿гхчторов и работка инженерной ыэтодякн р?сч§та на осково зксшрикэкт&зъ-

- о -

'но-теоретических исследований.

Для реализации поставленной цели решены следующие задачи:

1. Проведено теоретическое исследование напряжённо-деформированного состояния изгибаемых стержней из тонкостенных гнутых профилей разного типа

2. Проведено теоретическое исследование напряжённо-деформированного состояния прогонов из тонкостенных гнутых профилей различного поперечного сечения с учётом совместной работы с профилированным листом.

3. Проведено экспериментальное исследование напряжённо-деформированного состояния прогонов из тонкостенных гнутых профилей различной формы поперечного сечения при совместной работе с настилом.

4. Разработана методика расчёта изгибаемых балочных элементов конструкций покрытия из тонкостенных гнутых профилей с учётом совместной работы с настилом на основе экспериментально-теоретических исследований.

Научная новизна работы заключается в том, что :

- впервые получены экспериментальные и теоретические данные по напряженно-деформированному ростоянию изгибаемых балочных элементов конструкций покрытия из тонкостенных гнутых профилей с учётом влияния редукционных коэффициентов запаздывания сдвиговых деформаций и устойчивости, конструктивных факторов и совместной работы с профилированным -лкстоы;

- проверена идея формирования профиля повышенной жесткости в натуре;

- разработаны рекомендации по расчёту изгибаемых, балочных элементов конструкций покрытий из тонкостенных гкутьк профилей на основания учета влияния редукционных коэ'йициентов ыестной устойчивости и запаздывания сдвиговых деформаций, учета влияния

конструктивных факторов на несущую способность тонкостенных стержней.

Практическое значение работы состоит в том, что:

- разработанная методика расчёта напряжённо-деформированного состояния прогонов из тонкостенных гнутых профилей с учётом их совместной работы с профилированным листом поаволяет на стадии проектирования выбирать оптимальное конструктивное решение;

- результаты исследований, представленные в виде графиков, удобны для их практического использования.

На защиту выносятся: ■ - результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния изгибаемых элементов в виде кровельных прогонов из тонкостенных гнутых профилей в составе уклонных кровельных покрытий с учетом совместной работы прогона ' с профилированным листом;

- рекомендации по' расчету изгибаемых кровельных прогонов из гнутья профилей при совместной работе их с профилированным настилом

Апробация работы., Основные положения диссертации были доло-.•5эны и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Нижэгород-ской Государственной архитектурно-строительной академии (г. К Нэвгород 1992г. ,1994г.).

Публикации. 1Ъ результатам выполненных исследований опубликованы три печатные работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и трёх прилеганий. Работа кздояена на 202 страницах, включающих 116 страшщ («аоетописиого текста, 10 таблиц, 52 рксушга, приложения

па 13 страницах я список лгггературы, вклвчащий 115 наишнова-

• - '

- 8 «

РДШТН

Во введении дано обоснование актуальности темы диссертации, сформулирована ее научная новизна ,

В первой главе произведён обзор литературы, посменной вопросам применения и прочностных характеристик тонкостенных гнутых профилей; дан анализ теоретических и экспериментальных исследований по расчёту конструкций из таких профилей при различных видах эагружений.

Исследования степени упрочнения гнутых профилей проводились в ЛПИ ( К. Н, Богоявленский, Д. Ц. Ясев, К В. Голъцеа ), УкрШИмете ( И. С.Тритевский, ХХЕТихенко, С. Я Середенко, Е В. Клепанда ), КИСИ ( Я А. Березенский, Э. Ф. Гарф ), Уральском ПромстройНИИПроек-те ( А. Н. Казачкова, & Я. Володарский ), К. Карреном, Дя. Винтером и другими,

Отмечено, что эти исследования можно разделить на два этапа Вз первом этапе исследовались вопросы распределения упрочнения по сечению гнутого профиля, площади зон упрочнения и влияние отдельных факторов на величину упрочнения материала этих профилей. На втором этапе полученные данные обобл^лись и предлагались методики учёта упрочнения при проектировании конструкций.

В иастоядее время сус^ствуш способы определения несущей способности гнутых профилей с учётом упрочнения при различных вкдах напряжённого состояния : статическом растямзнии и скатим, чистом изгибе, кручении и продольном изгибе. Однако преддоиеинда методики требую? вырезки образцов из характерных мест сечения я получения диаграммы растягэяяя " - §> что неудобно4 для

ПРСЗК'ГИРСЕЩИКОЗ.

Отмечено, что инжвкериш ыетсдккл расчёта конструкций- из гнутых профилей, разработанные, как правило, на основе экспери-

ыентелтьсс исследований, учитывал/г оообенмости рпботы та-

ки;с конструкций в упругой и упругопластической стадиях работы.

За последние годи за рубежом лыпущен ряд нормативных документов по расчёту конструкций из гнутых профилей: "Указания по' проектированию холодногнутых стальных элементов конструкций" Американского института гэлеза ■ и ет.алк ( 1980 г. ), "Шведские нормы по лёгким металлическим конструкциям" Еведского института зтальных конструкций ( 1932 г. ), "Корки по проектированию холодногнутых элементов" в Великобритании ( 1084 г. ), "Европейские рекомендации по проектированию и испытаниям соединений зтадьных настилов и профилей" ( 1983 г. ), "Европейские рекомендации по проектированию легких стальных элементов" ( 19В5 г. ), 'Хэлодноформованные стальные строительные агсмо;:ты" Канадской ассоциации стандартов, "Указания по расчёту холо^.чоформованшяЕ :онкостекных стальных конструкций" в Китае.

Рассмотрен ряд исследований: •

.- центрально сгатых элементов в Канаде, Австрии, В?ликобрн-•ании, Чехии;

- изгибаемых элементов в США, Финляндии, Польз», Казахском >тделенни ЦН5ШСК, России ( ГипрсНИИсельпромё );

- сзато-изгибаемых элементов.

Ш результатам проведённого обзора и анализа состояния воп-оса сформулированы цель и задачи исследований.

Во второй главе проведено теоретическое исследование элз-знтоп конструкций из тонкостенных гнутых профилей пводхеро-об-. азного, С - образного, 2 - образного и сигка-обрааного попареч-ого сечений; проведено сравнение результатов, получениях при асчёто по программам "ИШАК", "ЛИРА" л по датодико СИЛ

Как показани исследования, характер распределения нормал»-яапряггн-ий ю х и <э у соответствуй? гасесгимм тэсрстичэскпм

' решениям для балкк, работовд^й kq поперечный кагкб. Максимальны-: значения налрялания <э х и О" у имеют место в середине пролётг балки. Ш мере удаления от середины балки напряжения (эх и (5*3 параболически убывают до нуля - на опорах. Касательные напряжен! максимальны в опорных сечениях балки ( в местах действия наиболг аей поперечной силы ). В середине пролёта балки касательные напряжения практически отсутствуют.

Наибольшей несущей способностью обладают твеллеро-образные профили. Затем следуют по мере уменьшения её С - образные, Ъ -образные и сигма-образные. Причём нормальные напряжения сигма-образном профиле почти"в три раза больше напряжения в квел леро-образном профиле. Нормальные напряжения <о у минимальны дл сигма-образного профиля и максимальны для С - образного профиля.

Касательные напряжения минимальны для швеллеро-образного профиля, для остальных типов сечения прогонов они примерно одинаковы.

Значения, полученные при расчёте по методике СНиП, имеют завышенные значения по сравнению со значениями, полученными при расчёте на ЭВМ, в пределах от 12% до 26%.

Далее в этой главе проведены теоретические исследования элементов конструкций из тонкостенных гнутых профилей различного ■поперечного сечения при совместной работе с профилированным листом. Численные исследования выполнялись на IBM РС ХГ по программному комплексу " .OSCAR оекованному на применении метода конечных элементов. Расчётная схема приведена па рис. 1. Проведено сравнение полученных результатов с результатами, полученными по иетодкке СНиП (ркс. 2 - р;;е. S ).

Третья глава поса?.£»на зкскернм^п-гиьнш исследованием блока т дзух прогонов тонкостенного профиля о проСйлицювалиь« листом. Представлена методика проведет« зкотришяглпьых исследо-

3

а <u

V

u

•3 о

s »-

«j

:r u <4

a. <

s

3-

«s о

заний. Всего испытано 12 блоков, по три блока калдого типа пояо-речкого сечения, состоящих из двух прогонов с шагом 1,5 метра и профилированного листа, прикрепленного к верхним поясам прогонов самонарезаюоуши болтами с кагом череа волку около опор и через две волны в пролёте.

Нагрузка создавалась с помощью мерных грузов весом 3,5кг. Мерные грузы располагались равномерно по всей поверхности проф-кастила. —

Проведён анализ полученных для каждого типа сечений напря-хшшй и деформаций; проведено сравнение подученных экспериментальных данных с результатами, подученными при расчёте на ЭШ и по методике С11иП ( рм. 2 - рис. 5 ).

В четвертой гладе даигся рекомендации к алгоритму точного расчёта прогоноз при s;>; совместной работе с профилированным листом; приводится ыетодика расчёта изгибаемых кровельных прогонов из гнутых профилей при совместной работе их с профилированным настилом при действии равномерно распределённой нагрузки.

Шлученньге формулы для подсчёта напряжений в верхнем и нижнем поясах и в стенке прогонов из гнутых профилей приведены в таблице 1.

Для определения максимального момента, формулы приведены к

вида:

Н » V х R х Г ,

где W - момент сопротивления, куб. см;

R - расчетное сопротивление стали;

Г - козДхЬициеит, учитывзиадй совместность работы с профилированным листом. Его значения приведены б таблице Z.

f

— по иетодике СНиП

— эксперимент

— по рлсчетц на 1СН

О! !

55.0

Рис. А . Касатешше напряжения ЯГ;

159.25 2Ш5 516.75 404.25

ельние напряжения ^ ху в стскке на опоре.

509.25 Ркг/лн

Расчеши формулы для определения напряжений.

хаилица 1

Вид профиля стенка верхняя полка нижняя полка

ЬО СХУ 1/2 СУУ 1/2 <Гх 1/2 0~х

иве лле ро-образныя 11,966+0,264р 1,232+0.164р 7.607+0,576р 19,253+0,356р 2,747+0,188р

С - образный 3,40+0.14ор 7,957+0,722р 6,454+0,332р 17.864+0.103р 0.686+0.115р

сигил—образния 1,50+0,225р 24.56+0.137р 0.12+0.274р 4.603+0.418р

1 - образный 0,41+0.092р 5.99+0,093р 7,921+0,331р 0.565+0,224р 3,403+0,346Р

Примечание! р - нагрузка на прогон в кг/п.м

Таблица 2 Значения коэффициентов Г . •

Вид профиля верхняя полка нижняя полка

1/2 0х 1/2 . <3^х -

швелларо-образный 0.168+0.003 р 0.024+0.0016р

С - образиыя 0.159+0.ОООЭр 0.006+0,001р

сигма-образный 0.047+0,0043р

1 - образный 0,021+0,0082р , 0,125+0.013р

Примечание: р - нагрузка на прогон в кг/п. м

- 18 -ОСНОВНЫЕ ВЫВОДИ

1, Впервые для строительных конструкций проведено экспе; ментально-теоретическое исследование напряжённо-деформирование состония прогонов иа тонкостенных гнутых профилей при совмести работе их с профилированным листом.

.. 2. Исходя из аналиаа теоретических исследований, можно ск аать следуйте:

- наименьшее значение нормальных напряжений (гГх возн кает в швеллеро-образном профиле, наибольшее - в сигма-образно

' профиле, С - образный и Ъ - образный профили имеют промежуточн андчения,

- наименьшее значение нормальных напряжений ©"у возн кает в Ъ - образном профиле, наибольшее - в С - образном профи. ЕЕЭллеро-образный и сигма-образный профили имеют промедуточн: значения.

- яо мере увеличения касательных напряжений ху профи, располагаются следующим образом: швеллеро-образный, С - образш

1 - образный и сигма-образный.

- по прогибай по мэре увеличения величины: сигма-образный Т. - образный, С - образный и швеллеро-образный профили.

наименьшей несущей способностью обладает сигма-образш профиль; затем по мере увеличения несущей способности следу»

2 - образный, С - образный н. пвеллеро-образньй профили.

- разница в величине напряжений аналитических и норматш иьк получается вв счёт совместной работы с профилировать ¿истом, учёта уклонной кровли, влияния стесненного кручения ыэст1юй устойчивости.

3. Ка основе зкепэришнга установлено:

г юо иериздышк иалрязканинй по мере увеличения их ь?

:ины профили молю расположить следующим образом: швеллэро-об-ный, С - образный, Z - образный и сигка-обраэный профили.

- по нормальным напряжениям S'y по мере увеличения их веяны профили моото расположить сдедухидам образом: швеллеро-об-ный, Z - образный, сигма-образный и С - образный профили.

- по касательным напряжениям о: ху профили по мере увели-ия их величины момго расположить следущим образом: Z - обраа-, швеллеро-образный, С - образный и сигма-образный.

по прогибам по мере увеличения их величины профили рас-агаются: сигма-образный, Z - образный, С - обраяныЯ и швелле-обрааный.

- исследуемые профили можно расположить по мере уменьшения уп*эй способности следующим образом:, швеллеро-образный, С -азный, Z - образный и сигма-обрааный.

4. На основе анализа отечественных и зарубежных исследова-и с учётом выполненных автором исследований разработан инжз-г!Ый метод расчёта, позволяющий с достаточной степенью точлсс-яроектировать такие прогоны с учётом их совместной работы "с филированным листом.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих этах:

1. Беляев В. Ф., Бобарыкина О. Б. О работе изгибаемых стерк-

из тонкостенных гнутых профилей d качестве элементов покры-

/

с учётом влияния конструктивных факторов // Научно-техничес-

конференция профессорско-преподавательского состава, аспидов и студентов. Тезисы докладоз/ - Нилсчий Новгород: 1992.

- 20 -

2.- Бобарыкина О.Б. Несущая способность прогонов покрытия из тонкостенных гнутых профилей с учетом влияния стального профилированного листа // Промышленное и гражданское строительство. -1994,- N5. - с. 35.

3. Бобарькина О. Е 0 совместной работе прогонов из тонкостенных гнутых профилей с настилом иа профилированного листа // Научно-техническая конференция профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов. Тезисы докладов. - Нижний Новгород: 1994. - 80с.