автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Работа жестких нитей сквозного сечения

ДОНБАССКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СТРОИТЕЛЬСТВА И АРХИТЕКТУРЫ

РГБ ОА

1 С ДПР ш

УДК 624.072.327

Гибаленко Виктория Анатольевна

РАБОТА ЖЕСТКИХ НИТЕИ СКВОЗНОГО СЕЧЕНИЯ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Макеевка - 2000

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена на кафедре "Металлические конструкции и материаловедение" Донбасской государственной академии строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Мущанов Владимир Филиппович, Донбасская государственная академия строительства и архитектуры, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики.

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

Казакевич Михаил Исаакович, Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта, заведующий кафедрой мостов;

Кандидат технических наук Лебедич Игорь Николаевич, ОАО Украинский научно-исследовательский институт "УкрНИИпроектстальконструкция", начальник отдела новых типов конструкций.

Ведущая организация: Одесская государственная академия

строительства и архитектуры, кафедра металлических и деревянных конструкций, Министерство образования и науки Украины.

Защита состоится "27" апреля 2000 года в II00 часов на заседании специализированного ученого совета Д 12.085.01 в Донбасской государственной академии строительства и архитектуры по адресу: 86123, Донецкая область, г. Макеевка-23, ул. Державина, д.2, I учебный корпус, Зал заседаний.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Донбасской государственной академии строительства и архитектуры.

Автореферат разослан "сМ_" марта 2000 года.

Ученый секретарь

специализированного ученого совета, кандидат технических наук, доцент

\\5H9.2i -(И ,0

А.М. Югов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В современном строительстве решение задачи повышения эффективности и расширения возможности использования передовых методов проектирования и способов строительства основано на изучении действительной работы сооружения и использовании методов рационального конструирования.

Изгибно-жесткие нити, обладающие рядом высоких технико-экономических показателей, применяются в легких покрытиях, позволяя получить экономию трудозатрат и капитальных вложений.

Результаты технического освидетельствования подобного рода покрытий свидетельствуют о необоснованно завышенном при проектировании запасе несущей способности, как отдельных конструктивных элементов, так и всего сооружения в целом, что свидетельствует о недостаточной изученности этих конструкций и приводит к завышенным материалозатратам.

Следует отметить отсутствие эффективных методик, позволяющих выполнить учет влияния последовательности монтажа на напряженно-деформированное состояние несущих элементов покрытия.

Поэтому актуальной проблемой является изучение действительной работы жестких нитей сквозного сечения на различных этапах монтажа с целью уменьшения расхода стали и повышения эффективности использования экономически выгодных и архитектурно выразительных конструктивных решений в проектировании.

Связь работы с научными программами, планами, темами. Диссертационная работа выполнена в рамках программы 0.55.01.121 "Разработать и внедрить прогрессивные способы технического перевооружения за счет максимального использования конструкций эксплуатируемых зданий и сооружений", а также государственной темы Д-1-2-99 "Совершенствование методов расчета и проектирования конструкций в виде оболочек и пластин".

Цель и задачи исследования. Выявить особенности напряженно-деформированного состояния (НДС) жестких нитей сквозного сечения, обусловленные влиянием последовательности монтажа и фактических жесткостных характеристик решетки, разработать на этой основе методику их расчета и проектирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ существующих методов расчета, проектирования и монтажа жестких нитей.

2. Разработать численную методику расчета исследуемой конструкции с учетом геометрической нелинейности и фактической последовательности монтажа.

3. Провести натурные обследования и экспериментальные исследования модели жесткой нити с целью подтверждения теоретических предпосылок и допущений, принятых при разработке методики расчета.

4. Разработать рекомендации по расчету и проектированию жестких нитей

сквозного сечения.

Научная новизна работы:

- разработана численная методика расчета исследуемой конструкции покрытия с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа;

- на основании выполненных натурных и экспериментальных исследований изучено поведение, установлен характер и получены данные о НДС жестких нитей сквозного сечения для различных схем монтажа и загружения при изменении жесткостных параметров решетки;

- разработана методика расчета и проектирования, учитывающая реальную последовательность монтажа, позволяющая выявить резервы несущей способности существующих покрытий, обосновать технические решения при проектировании жестких нитей.

Практическое значение полученных результатов. Материалы исследований использованы: при разработке комплекса мероприятий по обеспечению нормального функционирования конструкций покрытия плавбассейна СК "Олимпийский" в Москве; при проведении проектно-изыскательских работ на изготовление и монтаж элементов покрытия пансионата ОАО «Донецкоблгаз» в пос. Мелекино.

Личный вклад соискателя. Приведенные в диссертационной работе результаты исследований получены соискателем самостоятельно. Личный вклад автора состоит в следующем: непосредственное участие в проведении натурных обследований; разработка модели исследуемой конструкции и проведение экспериментальных исследований; выполнение численных расчетов конструкции; статистическая обработка информации^ полученной при обследованиях, испытаниях и численных исследованиях; систематизация и научный анализ полученных результатов; разработка методики расчета жестких нитей с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа.

В публикациях с соавторами лично соискателем выполнено: усовершенствование численной методики расчета жестких нитей сквозного сечения [1], перерасчет несущих конструкций покрытия по результатам натурных обследований [3], экспериментальное исследование НДС модели жесткой нити [4], рекомендации по проектированию исследуемой конструкции [8].

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на Международной научно-технической конференции "Металлостроительство-96" в Макеевке, 1996г., на Международном симпозиуме "Современные строительные конструкции из металла и древесины" в Николаеве, 1997г., на Международной конференции "Теория и практика металлических конструкций" в Макеевке, 1997г., на научных семинарах кафедры "МКиМ" ДонГАСАв 1998,1999 годах.

Публикации. По теме диссертации опубликовано восемь печатных работ, отражающих ее основное содержание.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 135 наименований, трех приложений. Работа изложена на 170 страницах , в том числе

102 страницы основного текста, 14 страниц списка использованной лит^ 19 полных страниц с 42 рисунками и 5 таблицами, 35 страниц приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна и практическое значение работы, представлена ее общая характеристика.

В первой главе приведен обзор существующих объектов, покрытия которых выполнены в форме жестких нитей, выполнен анализ методик их расчета.

Анализ конструктивных форм показывает, что в трети рассмотренных сооружений применены висячие фермы. Примерами служат сооружения, в которых покрытия выполнены из изгибно-жестких элементов: Дворец спорта в Вильнюсе, ресторан в Ялте, плавательный бассейн спорткомплекса «Олимпийский» в Москве, павильон аттракционов в Великобритании, Олимпийский плавательный бассейн в Токио и т.д..

Если жесткая нить выполнена в виде висячей фермы, то наиболее рациональным является двухстадийный способ ее монтажа, при котором на первом этапе верхний пояс фермы работает как гибкая нить, воспринимая постоянную нагрузку, при этом отдельные панели нижнего пояса разомкнуты, а затем, на втором этапе, замыкая нижний пояс, загружают его временной нагрузкой (технологической, снеговой и т.д.).

В настоящее время возрастает интерес к нитям конечной жесткости и предлагаются на их основе новые системы покрытий.

Среди зарубежных ученых, занимавшихся разработкой теории висячих конструкций, необходимо отметить работы Ф. Отго, X. Рюле, К. Шлейера, Х.К. Банделя, А. Скорделиса и др.

Расчетом висячих систем занимались и занимаются в странах СНГ Ка-чурин В.К., Стрелецкий Н.С., Кирсанов Н.И., Москалев Н.С., Шимановский В.Н., Ведеников Г.С., Телоян А.Л., Чаадаев В.К., Казакевич М.И., Перельмутер A.B. и др.

Применяемые методики не учитывают разницу между расчетом жестких нитей сплошного и сквозного сечения, тип решетки, ее жесткостные характеристики, что сказывается, в конечном итоге, на перераспределении усилий в элементах; не в полной мере учитываются особенности работы конструкции при двухстадийном её загружении постоянной, а затем временной нагрузками.

Выполненный ранее анализ проведенных теоретических исследований и конструктивных форм жестких нитей позволил сформулировать основные задачи исследования.

Во второй главе приведены результаты численных исследований работы жестких нитей сквозного сечения. С этой целью был разработан численный метод расчета исследуемой конструкции с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа, реализованный в виде алгоритма расчета "RIGLAT" в кодах языка Turbo-Pascal 7.0 для персональных ЭВМ, в основу кото-

о заложен метод конечных элементов в реализации, изложенной в работах В.Ф. Мущанова.

На первом этапе расчета осуществляется ввод основных параметров задачи: число узлов, элементов, данные о типах элементов, требования к расчету (с учетом геометрической нелинейности или последовательности монтажа, или необходим учет обоих факторов).

Далее выполняется ввод координат узлов, данных об элементах, их геометрических характеристиках сечений, опорных закреплениях, числе, характере и величинах узловых нагрузок. При этом геометрические характеристики сечений элементов, отсутствующих в первоначальной расчетной схеме, задаются нулевыми.

Расчет НДС конструкции выполняется в случае необходимости с учетом геометрической нелинейности (пошаговым нагружением в сочетании с простыми итерациями).

При расчете с учетом многостадийности монтажа выполняется обновление первоначальной расчетной схемы. Вся информация о НДС первоначальной расчетной схемы сохраняется в виде массивов узловых перемещений и усилий I элементах.

Теоретические исследования работы изучаемой конструкции проводилис! на примере жесткой нити с пролетом Ь = 60 м, стрелой провисания f = 1/10 Ь При этом варьировались жесткостные характеристики и схемы приложеню нагрузки. Расчет нити проводился с использованием алгоритма "ЯЮЬАТ'.

Для получения результатов численных исследований в обобщенном виде которые в дальнейшем послужили при разработке методики проектирования по добных конструкций, использована система безразмерных параметров, некото рые из которых применялись в работах Кирсанова Н.М., Телояна АЛ..

Безразмерные параметры:

р _ 1 - коэффициент, зависящий от типа сечения жесткой нити;

А-И

г = £

- - коэффициент деформативности;

1 Е1

у/ = - жесткость фиктивной стенки (у = 0,0004+0,002 - область решения дл А

жестких нитей сквозного сечения; у = 0,01+0,02 - область решения для ните сплошного сечения);

Ф = - максимальный относительный прогиб; п - число отправочных марок;

¡г _ Авп - коэффициент соотношения площадей поясов жесткой нити; Аип

— M ü

т = —^—приведенный изгибающий момент в сечении, EÍSf

где А, 1 - площадь и момент инерции сечения жесткой нити; Е - модуль упругости материала нити; f - стрела провисания; L - пролет нити; h - высота сечения нити;

Nq, Np - усилия от постоянной и временной нагрузок; Ц,и„ - фиктивная толщина стенки нити сквозного сечения; Ш™* - прогиб нити; Авп, А„„ - площадь верхнего и нижнего пояса нити; Мтах - максимальный изгибающий момент в сечении.

Изучаемая нить рассчитывалась на следующие схемы загружения: 1 - постоянная нагрузка + временная равномерно-распределенная нагрузка по всему пролету (F1); 2 - постоянная нагрузка + временная равномерно-распределенная нагрузка на половине пролета (F2); 3 - постоянная нагрузка + временная неравномерно-распределенная нагрузка по всему пролету (F3).

Проведенные численные исследования с использованием системы безразмерных параметров позволили оценить влияние числа отправочных марок (и), жесткости фиктивной стенки (у), схем загружения на характер НДС жесткой яити.

Увеличение относительного прогиба нити (ф) в три раза (в диапазоне изменения значений жесткости фиктивной стенки у = 0.0004-S-0.02) приводит к

тропорциональному росту приведенного изгибающего момента ), величина соторого может возрастать до 40% для всех схем загружения. При двухстаднй-гом монтаже, если временная нагрузка приложена на половине пролета, значе-

шя приведенного изгибающего момента (J¡¡ ) возрастают в 2 - 2.5 раза по ¡равнению с двумя другими схемами загружения (рис. 1).

Последовательность монтажа и число отправочных марок п оказывают

•ущественное влияние на величину приведенного изгибающего момента т . 1ри последовательном замыкании узлов нижнего пояса (число отправочных ма-юк п=4, п=3), возникающий после приложения максимальной временной на-рузки (1-я схема загружения) изгибающий момент в 8-10 раз меньше по равнению с одностадийным монтажом. При этом наблюдается рост значений тносительного прогиба ф до 35%, распора до 16%, для 2-й схемы загружения при половинном загружении пролета временной нагрузкой) - на 25% и 13% со-тветсвенно.

Увеличение относительного прогиба ф до 10 раз приводит к постепенному нижению распора на 17-20% для всех схем загружения при двухстадийном мон-аже; если ферма монтируется одноэтапно, распор уменьшается до 10% (рис.2) ри различных значениях жесткости фиктивной стенки (у).

Увеличение жесткости фиктивной стенки у приводит к уменьшению рас-ора до 17-20% при двухстадийном монтаже и до 10%, если ферма монтируется дноэтапно. До 70% возрастают значения приведенного изгибающего момента

п при повышении жесткости фиктивной стенки, если конструкция состоит из

^ 4-х или 3-х отправочных марок (п=4, п=3). При п=1, когда значения жесткости

стенки максимальны (Ушах), изгибающий момент т с ростом относительного прогиба в 3 раза изменяется всего на 10% .

п=4

0,0 о

-2.00

2,31 .__Ж 2 2.30

0,20 / г- .Х-" 0,95 Ч&с

□и.бс

-М

—'Я |р*100

3.00

4,28^ 5,44 ,4,95 л.4'39

3.47

Р °1.97 рп! Р И 9*100

0,0 1,0 2.0 3,0 4.0 5,0 =(-10.755^-0.0354)гг+(53,851у+0,8747)1+(2бг906у-1,6987)

0,0 1,0 2,0 3.0 <,0 5.0

у =(-10.419у-0.0448)(!+(49,464||'+0,7993)1+(23,715у+1,"34)

п=3

6,00

ш <.00

-2,00

2.00

5,83^ 0,33 к 5,79

3,98 4,98 Х21 Г .X ___~х 5.47

Ц Р -1 Ч 9*100

-6,00

-7,50

15 -9,00

-10,50

0.0 0.7 1.4 2.1 2.8 3.5 4,2 ;'=(-Ш9^-0.|154)г2ф,477гН5485)гф.428у(-1,7865)

П=1

4.2

0.0 0.7 1.4 2.1 2,8 3,5 /=(-17,62-0,0973)1! + (65,657^+1,3367 )г +(34,123^+1,704б)

-тль-,*-. -6,73 "-6,93

-7,4? .Д"^0 * Р Л / / А г1-8.89 г-8,03

1 ! ¿-10,31 Ь=ГЧ 9*100

№ -5.50

-3,60 -3,55 __ _

« 0 1

1 ¿6.22 Р3—1Ра 9*100

1-' ч

1,0 2.0 3.0

и,

у=(21,196г-0^9|)(! +(-99,848Г+1,8948)г 4 (| 15,22^-9,3665)

I 1.0 2.0 3.0

—о— ш =0,0008 - -сн - у =0,0004

- - Л - • у =0,002 - -х- Ч> =0,01 —*— у =0,02

;=(27,433уг-0,4411>Ч(-113Л»'+1,9383)1+(Ш,89у-5Л07)

Рис. 1. Зависимости для составного сечеиия приведенного изгибающего

момента (ш) от относительного прогиба (<р) при различных значениях жесткости фиктивной стенкн (\|/); число отправочных марок п=4,3,1

о.о

п=4

,90

„1,21 1.18

1.13 1.10

1.12^ «Ч»

1,03 \„ ~*1.04

к тс

1 1 п 0,98

Ф«100

0.0 1,0 2.0 3.0 4,0 5.0 0.® 20 3.0 4,0 5,0

^=(О,012^+О,001)3)1г+(-1,9355у-0,О2«)г+(-ОЛ711Г+и123) }> = (0,О43|/'+О,0О02)1г+(-2,237^-О,0249)г+(о,28591С+1,148«)

п=3

1,1?" 1,14 1,0^

1,04 Ч 0,99 Ч>*100

Г

1,20

1,05

0.90

1,12 ___1,08 ____1,05

1 0,98 1. <р«100

0.3 1,3 2,3 3.3

; = (0,176Ту+0,0002 >г +(-2,6956у-0,0272)1 +(-0,192у +1,2137) ,

П=1

20 Г

.90

1

1 1°

1 I-

1 ПЧ

1,06 1,03 1,02

0,97 0,93 ~ »<0,97 <р*100

0,3 1.3 2.3 3,3

Ц-0,017^ 40,0007)т1 155)

1,20 Г

1.10

1,00 0,90 0,80

м

„1.02 1,00 п,яя .

0,99 0,98^ 0,96 0,92

0,91 0,88 Ч>»100

0.0 0,7 1,4 2,1 2,8 3,5

(-0,1971у+0,0027)!1+{-0,684р-0,0261 )т+(-0,9893^+1,0755)

0.0 0.7 1,4 2,1 2,8 3.5

—О— =0,0008 - -О- • ц/ =0,0004 --д--1|/=0,002 --х- \|/=0,01 ж ■ *|/ =0,02

/=(-0,13>5|Г+1>,ИИ)11+(-1,И)5у-О,Ш19>1+(-0,7195^+1,012»)

Рис. 2. Зависимости для составного сечения коэффициента

деформатнвности (г) от относительного прогиба (ф) при различных значениях жесткости фиктивной стенки (\|/); число отправочных марок п=4,3,1

Изгибная жесткость сечения р не оказывает существенного влияния на изменение распора: при двухстаднйном монтаже конструкции и изменении Р в

пределах 0.05 -¡- 0.75 значения параметра г, характеризующего распор, для верхнего пояса уменьшаются на 10-20%, а в зоне устойчивых проектных решений (0,15 < Р < 0,28) всего на 3-5%. При одностадийном монтаже (п=1) значения распора уменьшаются до 10%, в зоне устойчивых проектных решений до 2,5%.

При увеличении жесткости фиктивной стенки (до у г 0,01) поведение жесткой нити сквозного сечения близко к НДС жесткой нити сплошного сечения, что подтверждается сравнительными результатами расчета по общепринятым методикам. При снижении жесткости фиктивной стенки (у < 0,01) в расчетах НДС и назначении начальных сечений нити необходимо учитывать реальную жесткость решетки конструкции.

Как показал выполненный регрессионный анализ, полученные зависимости безразмерных параметров могут быть с достаточной точностью аппроксимированы полиномами 2-й степени и представлены аналитическими зависимостями, приведенными на рисунках 1 и 2.

В третьей главе приведены результаты натурных обследований висячих ферм покрытия плавбассейна спорткомплекса "Олимпийский" и экспериментальных исследований модели жесткой нити сквозного сечения.

В задачи эксперимента входило:

1. Определить влияние двухстадийного монтажа на НДС жестких нитей сквозного сечения;

2. Определить влияние числа фиктивных шарниров на работу конструкции;

3. Установить зависимость НДС поясов фермы от изменения жесткости решетки путем постановки дополнительных раскосов;

4. Оценить влияние податливости опор на изменение перемещений и напряжений в элементах фермы при двухстадийном монтаже;

5. Проверить соответствие принятых расчетных предпосылок экспериментальным данным.

Объектом натурного исследования были висячие фермы покрытия плавательного бассейна с/к "Олимпийский", которые выполнены из прокатных профилей: высота ферм Ь = 2.5 м, стрела провисания { =1/6 пролета. В расчетном плане фермы представляют собой: на 1-м этапе - гибкие нити (т.к. панели нижнего пояса частично разомкнуты), воспринимающие постоянные нагрузки; на 2-м этапе - висячие фермы или нити конечной жесткости, возникшие после замыкания узлов нижнего пояса, работающие на восприятие временных нагрузок. Результаты расчета по предложенной численные методике показывают удовлетворительную сходимость с данными геодезической съемки (расхождения значений прогибов составляют 7%).

Выполненные исследования позволили сделать вывод, что несущие конструкции ферм были выполнены с большим запасом прочности (резерв несущей способности для элементов ферм составил 60 - 78%). Это подтверждает тот факт, что работа подобных конструкций недостаточно изучена и необходимо продолжать исследования поведения висячих ферм при различных схемах загружения и монтажа.

С этой целью было решено для более полного изучения работы жестких нитей сквозного сечения изготовить согласно законам физического подобия модель существующей фермы покрытия плавательного бассейна "Олимпийский" (масштаб М 1:6) и провести на ней все необходимые экспериментальные исследования для решения вышеуказанных задач.

Модель фермы очерчена по квадратной параболе: пролет Ь = 15.22 м, стрела провисания f = 2.268 м, высота фермы Ь = 0.417 м. Пояса фермы выполнены из листовой стали шириной 60 мм и толщиной 6 мм. Раскосы из равно-полочного уголка 1_ 20 х 3 мм. Материал фермы - малоуглеродистая сталь. Испытываемая ферма подвешивается к специально изготовленным металлическим колоннам высотой 4.7 м. Регулировка податливости опор осуществлялась при помощи фаркопфа, устроенного в опорном узле. Диапазон изменения горизонтальных перемещений в ходе эксперимента составил 5-20 мм.

Модель фермы испытывалась в упругой стадии на статические нагрузки.

Во время испытания измерялись относительные деформации поясов и раскосов (проволочными тензодатчиками сопротивления с базой 20 мм), а также вертикальные и горизонтальные перемещения (при помощи прогибомеров системы Максимова ПМ-3 с ценой деления 0.1 мм и системы ПАО - 6 с ценой деления 0.01 мм). Схема расстановки тензодатчиков и прогибомеров приведена на

— тензорезисторы с базой 20 мм ф - прогибомеры ПМЗ й - прогибомеры ПА06 |-с=>- - фаркопф

Рис. 3. Схема расположения измерительных приборов На элементах фермы тензодатчики были установлены следующим образом: на верхнем и нижнем поясах одиночно по середине листовой полосы, на раскосах - на нейтральных осях полок уголка. По мере монтажа фермы (при замыкании нижнего пояса) тензодатчики доклеивались на панелях нижнего пояса. Относительные деформации замерялись 100-ми проволочными тензодатчиками сопротивления. Регистрация показаний тензодатчиков проводилась на комплексе СИИТ-3.

В соответствии с поставленными задачами исследований были выполнены

следующие схемы монтажа и загружения конструкции (рис. 4): I - нижний пояс фермы разомкнут и она работает как гибкая нить;

f 1 1

1ГГ П И II 1 1 И 1 1 1 1 1 II 1 1 1

IV

р=250 Н/м

„„„, q=750 Н/м

р=250 Н/м 4

I I I I I I I I I I I 1 I I I I I I I I q=750 Н/м

р=250 Н/м q=750 Н/м

г i

II II 1 М II 1 1 II 1 1 II 1 I м II

р=250 Н/м

II 1 1 и 1 1 II II 1 II 1 II 11

р=250 Н/м

р=250 Н/м q=750Н/м

Рис. 4. Схемы монтажа и загружения модели

II - нижний пояс фермы замыкается через панель, что дает возможность рассмотреть влияние количества отправочных марок на НДС верхнего пояса; III - ферма

состоит из 4-х отправных марок, т.к. нижний пояс разомкнут в трех панелях; IV -нижний пояс замкнут, ферма работает как изгибно-жесткий элемент; V - поставлены дополнительные раскосы, чтобы выявить зависимость НДС поясов фермы при изменении жесткости решетки.

Для всех схем монтажа нагрузку прикладывали поэтапно в узлы верхнего пояса фермы (постоянная - 750 Н, временная - 250Н).

Полученные результаты распределения напряжений в элементах фермы, показанные на рисунках, представляют собой математическое ожидание, вычисленное на основе статистической обработки результатов 5 измерений.

При обработке результатов измерений напряжений в элементах фермы исключено влияние изгибающих моментов, обусловленных расцентровкой узлов, которые не учитывались проводимым численным теоретическим расчетом.

Для оценки влияния поэтапного монтажа конструкции на НДС поясов фермы и перемещения было выполнено сравнение результатов двух вариантов монтажа - двухстадийного и одностадийного. Получено, что максимальный прогиб при двухстадийном монтаже в середине пролета и в четвертях на 30% и 12% соответственно больше, чем при одностадийном. При одностадийном монтаже напряжения в верхнем поясе фермы как растягивающие так и сжимающие; в центральной части пролета пояс сжат, что не наблюдается при двухстадийном монтаже, где все элементы пояса растянуты и изменения значений напряжений не превышают 20% (рис.5а). Напряжения в нижнем поясе при двухстадийном монтаже в 15 раз меньше, чем при одностадийном (рис.5б). Таким образом, двух-стадийный монтаж при полном загружении' постоянной и временной неравномерно-распределенной нагрузками позволяет полнее использовать работу верхнего пояса на растяжение и уменьшить нагрузку на нижний пояс фермы.

а)

~бо

31 31 э аз 31

Я а,

\ N 9 Я '14

\ -3 -5

\ -17

V -Н -а

__, . -

3)

я*

х I

ёэо

ч- — 55~-

44 у ч

V в"-

У \ N а в

/ 'V \ \

-г 2 3 2

---шгаэдиьймигац №пмш

-^оэдйьйнапэк

Рис. 5. Распределение напряжений в поясах фермы: а - верхний пояс; б - нижний пояс.

При решении второй задачи исследования - определение влияния числа

фиктивных шарниров на работу конструкции жесткой нити, было выполнено за-гружение постоянной нагрузкой фермы на каждой из четырех схем монтажа. Анализируя графики вертикальных перемещений верхнего пояса фермы для I -IV схем монтажа, надо отметить, что конструкция на всех четырех схемах монтажа при пропорциональном увеличении нагрузки ведет себя геометрически нелинейно.

Минимальные перемещения для 1У-й схемы монтажа = 16.5 мм или 1/1000 пролета (рис.6).

При анализе напряжений в верхнем поясе для четырех схем монтажа наблюдается характерная картина поведения гибкой нити с незамкнутым или частично замкнутым нижним поясом (1-Ш схемы), когда пояс работает на растяжение и максимальное напряжение равно 45 Н/мм2 в приопорной зоне на первой схеме монтажа, далее по всему пролету напряжения незначительно изменяются в пределах 5-10%.

Что же касается четвертой схемы монтажа, когда нижний пояс, полностью замкнут и ферма работает как изгибно-жесткий элемент, в центральной части получены сжимающие напряжения, которые достигают максимума в центре пролета и равны 23 Н/мм2. По мере замыкания нижнего пояса (П-1У схемы монтажа) растягивающие напряжения в его элементах, которые включались в работу, возрастали. На приопорных участках на II - III схемах монтажа напряжения были отрицательными (ацэтап = оттп = -2 Н/мм2), пока нижний пояс полностью не замкнули. Напряжения поменяли знак.

Можно сделать вывод, что наименее конструктивно выгодным из рассмотренных четырех схем монтажа является вариант, при котором нижний пояс замкнут через панель.

Увеличение жесткости решетки постановкой дополнительных раскосов (V схема монтажа) приводит к уменьшению провисания конструкции в два раза,

способствует более активной работе верхнего пояса на растяжение, уменьшению растягивающих напряжений в нижнем поясе: напряжения в поясах снизились на 41-44%. В верхнем поясе наблюдается сокращение числа сжатых элементов в центральной части пролета и уменьшение значений сжимающих напряжений в 7 раз по сравнению с IV схемой монтажа. Увеличение жесткости решетки висячей фермы приближает её к сходному поведению с нитью сплошного сечения.

Сравнивалось влияние податливости опор на НДС фермы при одностадийном и двухстадийном монтажах. При одностадийном монтаже вертикальные перемещения при податливой опоре возросли в 7 раз, в центральной части пролета элементы верхнего пояса стали сжатыми, что не наблюдалось при неподвижных опорах, когда весь пояс был растянут. При двухстадийном монтаже вертикальные перемещения при податливой опоре возросли также в 7 раз (величины перемещений при одностадийном монтаже больше чем при двухстадийном), верхний пояс по всему пролету остался растянутым и разность показаний напряжений составила 14% , кривая изгиба напряжений по нижнему поясу характера не изменила (в среднем рост напряжений составил 55%).

Учет податливости опор для ферм подобного вида при двухстадийном монтаже по сравнению с одностадийным приводит к уменьшению вертикальных перемещений по верхнему поясу на 12%, снижению напряжений в нижнем поясе в 20-25 раз.

На напряжения, возникающие в элементах фермы, оказывает влияние изгибающий момент, обусловленный величиной узлового эксцентриситета, который зависит от конструктивного решения узла. Отличие теоретического расчета от экспериментальных данных может достигать 10 -ь 15%.

Сравнение значений напряжений и перемещений, полученных в результате численного расчета, показывает, что характер их распределения и значения соответствуют экспериментальным данным. Так, экспериментально полученные вертикальные перемещения верхнего пояса больше численных значений на 5 + 7% для всех схем монтажа. Расхождения значений напряжений по нижнему поясу и в раскосах составляют 2-8%. Это является подтверждением правильно разработанного численного метода, который позволяет точнее рассчитывать НДС жестких нитей сквозного сечения при двухстадийном монтаже.

В четвертой главе приведены рекомендации по расчету и проектированию жестких нитей.

На основе выполненных экспериментальных и теоретических исследований в качестве начальных параметров, задаваемых на 1-м этапе расчета, рекомендуется принять: стрела провисания: Г = (0.1 ■*■ 0.06)Ь; количество отправочных марок: п=4; высота Ь = (0.033 +■ 0.025)Ь; коэффициент, зависящий от типа сечения жеской нити: (3 = 0.2; жесткость фиктивной стенки: у = 0.0008;

+ р)Ь2

суммарная площадь поясов жесткой нити: А = ——--;

соотношение площадей поясов: —<— = 2.

Лип

Элементы нити рекомендуется выполнять из прокатных профилей Расчет конструкции выполняется в два этапа.

На 1-м этапе, используя данные теоретических исследований, выполненных во 2 главе, определяют значения изгибающего момента М и продольной силы N. При этом расчет ведется для двух способов приложения временной нагрузки:

а) временная равномерно-распределенная по всему пролету (для определения

^тах)»

б) временная распределенная на половине пролета (для определения Мтм).

Задаемся значением относительного параметра нагрузки "р " для различных соотношений постоянной и временной нагрузок (ц/р):

. _(д + р)-Ь2 . _4 (д + р)-Ьг

Г N —-; г м =-

ЕА ■ / ЕА- к

И используем зависимости между относительным параметром нагрузки "р" и параметром относительных прогибов (р ("рм - ф(ЕА)" и "рм - ф(Е1)") согласно построенным графикам (рис.7). Далее определяем соответствующие значения относительных прогибов <р(ЕА) и <р(Е1).

По установленным значениям относительных прогибов ф(ЕА) и ф(Е1) для заданного числа отправочных марок п и жесткости фиктивной стенки \|/ определяем значения расчетных сочетаний продольной силы N - и изгибающего момента М: - МСООТВ.; Мтм - Нсот

Для найденных величин сочетаний N и М определяем значения продольных усилий в верхнем и нижнем поясах нити:

л т л г анп М , Лг .. а,„ М хвп + — -а-к- N -----а,

п п п п

где а - коэффициент, учитывающий перераспределение усилий от изгибающего момента М между верхним и нижним поясами (зависит от числа панелей, пролета и места сечения);

авп , анп - расстояние от центра тяжести составного сечения до центра тяжести сечения верхнего и нижнего поясов соответственно;

к =1,1 - коэффициент, учитывающий влияние возникающих изгибающих моментов, обусловленных расцентровкой в узлах.

На втором этапе выполняется окончательный расчет жесткой нити и покрытия в целом на ЭВМ. Для этих целей рекомендуется применять алгоритм расчета "ЯЮЬАТ". В качестве исходных данных используются значения, полученные в результате первого этапа расчета.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана численная методика расчета конструкций в геометрически нелинейной постановке для жестких нитей сквозного сечения произвольной геометрии и проектных нагрузок с любым количеством анализируемых расчетных схем, обусловленных фактической последовательностью монтажа.

—о—р=0,5я

--Ж-р=1,5я —о—р=2р

Рис. 8. Зависимости между относительным параметром нагрузки "р" и параметром относительных прогибов ф ("рм - Ф(ЕА)" и "рм* - ф(Е1)") для 1 схемы загружения

2. Выполненные при помощи предложенной системы безразмерных параметров (ф, ш, п, (3, г, у), устанавливающих зависимость между нагрузками, жест-костными и геометрическими характеристиками, численные исследования позволяют установить основные параметры НДС конструкции, исключая фактор масштабности при проектировании. При проведении исследований в диапазоне

изменения значений жесткости фиктивной стенки \|/ = 0.0004-43.02 установлены следующие закономерности:

- последовательность монтажа и число отправочных марок п оказывают существенное влияние на НДС элементов жесткой нити. Использование двухстадийного монтажа позволяет уменьшить изгибающий момент в 8 - 10 раз по сравнению с одностадийным монтажом;

- увеличение жесткости фиктивной стенки приводит к снижению распора до 17-20% при двухстадийном монтаже и до 10%, если ферма монтируется одностадийно.

3. Выполненные экспериментальные исследования на натурных конструкциях покрытия плавбассейна "Олимпийский" в Москве позволили уточнить их действительное НДС, обусловленное двухстадийным монтажом, фактическими жесткостными характеристиками решетки. Установлено, что запас несущей способности для элементов ферм составил 60-78%.

4. Проведенные экспериментальные исследования крупномасштабной модели показали, что при двухстадийном монтаже учет податливости опор приводит к:

- уточнению величин напряжений в верхнем поясе на 14%, в нижнем - до

55%;

- уменьшению вертикальных перемещений до 12%, снижению напряжений в нижнем поясе в 20 - 25 раз (по сравнению с одностадийным монтажом);

5. В результате экспериментальных и теоретических исследований жесткой нити сквозного сечения установлено что:

- при двухстадийном монтаже для всех анализируемых расчетных схем в верхнем поясе возникают только растягивающие напряжения, позволяющие наиболее полно использовать материал конструкции;

- наиболее рациональное количество отправочных марок, способствующее равномерному распределению перемещений и усилий в элементах по длине жесткой нити сквозного сечения, равно четырем (п = 4);

- возникающий в узловых соединениях изгибающий момент, обусловленный узловым эксцентриситетом, приводит к увеличению основных напряжений на 10-15%;

- максимальные отклонения экспериментально полученных величин напряжений и прогибов от теоретических значений не превышали 7-10%.

6. Разработана методика расчета и проектирования исследуемых конструкций, представленная в виде рекомендаций.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. К расчету нитей конечной жесткости сквозного сечения // Надежность и реконструкция зданий и сооружений. Сб. науч. тр. - Макеевка, 1994. -с.43-47.

2. Гибаленко В.А. Натурное освидетельствование конструкций покрытия плавбассейна спорткомплекса "Олимпийский" / Международная научно-

техническая конференция "Металлостроительство-96", - т.2,- Донецк-Макеевка, 1996. - С.56-58.

3. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. Анализ действительного напряженно-деформированного состояния конструкций плавбассейна "Олимпийский"/ Международный симпозиум "Современные строительные конструкции из металла и древесины", Одесса, с. 187-191.

4. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. Экспериментальное исследование модели висячей фермы покрытия / Международная конференция "Теория и практика металлических конструкций", - т.2,- Донецк-Макеевка, 1997.-С. 78-81.

5. Гибаленко В.А. Численные исследования напряженно-деформированного состояния жесткой нити сквозного сечения с учетом последовательности монтажа // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка: ДГАСА, 1998. - Вып. 98-6(14). - С. 105-109.

6. Гибаленко В.А. Особенности проектирования и монтажа жестких нитей сквозного сечения // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. - Макеевка: ДГАСА, 1999. - Вып. 99-2(16). - С. 177-180.

7. Гибаленко В.А. Диагностика технического состояния большепролетных конструкций покрытий зданий на основе модельных исследований. // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. - 1999. - №3. - С. 61-64.

8. Мущанов В.П., Пбапенко В.А. Особливосп дшсно'1 роботи 1 проекту-вання жорстких ниток скр1зного перер1зу. // Буд1вництво Украши. - 1999. - №5.-С. 45-48.

АНОТАЦЫ

Пбаленко В1ктор1я Анатолпвна. Робота жорстких ниток скрпного перер1зу. - Рукопис.

Дисертащя на здобуття наукового ступеня кандидата техшчних наук за спещальшстю 05.23.01 - Буд1вельш конструкций буд1ВЛ1 та споруди. Донбаська державна академ1я буд1вництва 1 архггектури Мппстерства освгги 1 науки Украши, Макивка, 2000.

В представлен ш до захисту дисертацшшй робот1 нaдaнi результати чисельних та експериментальних досл1джень, розроблена чисельна методика розрахунку жорстких ниток скр1зного перер1зу з врахуванням впливу послщовносп монтажу та жорсткосп грат1в на напружено-деформований стан елеметчв конструкцн. Одержана система безрозм)рних параметр1в, як1 зв'язують д1юч1 навантаження з параметрами жорсткосп 1 геометричними параметрами конструкци. Надаш результати експериментальних дослщженнь великомасштабно'{ модел1 висячоТ нитки, ям виконувались при р1зномаштних схемах монтажу 1 навантажень, р1зномаштних умовах закрепления конструкцн. Розроблена методика розрахунку жорстких ниток, яка представлена в рекомендащях по розрахунку I проектуванню.

Ключсш слова: жорстка нитка CKpisnoro nepepi3y, напружено-деформований стан елеменив конструкций багатостадшшсть монтажу, методика розрахунку i проектування.

АННОТАЦИЯ

Гибаленко Виктория Анатольевна. Работа жестких нитей сквозного сечения. — Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2000.

Диссертация посвящена изучению особенностей напряженно-деформированного состояния жесткой нити сквозного сечения, обусловленных влиянием последовательности монтажа и фактических жесткостных характеристик решетки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведен анализ существующих методов расчета, проектирования и монтажа жестких нитей; разработана численная методика расчета исследуемой конструкции с учетом геометрической нелинейности и фактической последовательности монтажа; проведены натурные обследования и экспериментальные исследования модели жесткой нити, с целью подтверждения теоретических предпосылок и допущений, принятых при разработке методики расчета; разработаны рекомендации по расчету и проектированию жестких нитей сквозного сечения.

Разработан численный метод расчета жестких нитей сквозного сечения с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа, реализованный в виде алгоритма расчета "RIGLAT" в кодах языка Turbo-Pascal 7.0 для персональных ЭВМ, в основу которого заложен метод конечных элементов. Методика расчета конструкций в геометрически нелинейной постановке позволяет выполнить расчет конструкции произвольной геометрии и произвольных нагрузок с любым количеством расчетных схем, обусловленных фактической последовательностью монтажа.

Получена система безразмерных параметров (ср, ш, п, р, г, \|/), связывающих действующие нагрузки с жесткостными и геометрическими параметрами конструкций, что позволяет исключить фактор масштабности при проектировании подобных конструкций.

Экспериментальное исследование проводились как на натурных объектах (висячих фермах сквозного сечения п/б "Олимпийский"), так и на модели фермы покрытия. В задачи эксперимента входило: исследовать влияние последовательности монтажа висячих ферм на изменение НДС элементов; определить влияние числа условных шарниров на работу конструкции жесткой нити при действии постоянной нагрузки; выявить зависимости напряженно-деформированного состояния поясов фермы при изменении жесткости решетки путем постановки до-

полнительных раскосов; определить влияние податливости опор на изменение усилий в элементах фермы при двухстадийном монтаже.

Выполненные натурные и экспериментальные исследования показали преимущество такого конструктивного решения, как двухстадийный монтаж, который позволяет передать всю постоянную нагрузку на верхний пояс, работающий в это время как гибкая нить на чистое растяжение, с последующим превращением фермы в изгибно-жесткий растянутый элемент путем замыкания нижнего пояса.

На работу жесткой нити оказывает влияние число условных шарниров конструкции - наиболее конструктивно выгодным является вариант, когда висячая ферма состоит из 4-х отправочных элементов.

Увеличение жесткости фиктивной стенки приводит к снижению распора до 17-20% при двухстадийном монтаже и до 10%, если ферма монтируется одностадийно.

Разработана методика расчета жестких нитей, которая представлена в рекомендациях по расчету и проектированию.

Ключевые слова: жесткая нить сквозного сечения, напряженно-деформированное состояние элементов конструкции, последовательность монтажа, методика расчета и проектирования.

THE SUMMARY

Gibalenko Victoria A. Work of rigid lattice strings through section. - Manuscript.

Dissertation for Degree of Candidate of Technical Sciences on 05.23.01 speciality - Building constructions, buildings and structures. Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of the Ukraine, Makeevka, 2000.

In represented to protection dissertation work to operation on the basis numerical and experimental researches the numerical technique of account of rigid lattice strings of through section with allowance for influences of a sequence of mounting and rigidity of a lattice on the deformed state of elements of a construction is developed. The system of dimensionless parameters is obtained which link the acting loads with rigidity

and geometrical parameters of a construction. The technique of account of rigid strings is developed which is represented in the recommendations for account and designing.

The keywords: rigid string of through section, deformed state of elements of a construction, sequence of mounting, technique of account.

Подписано к печати 16.03.2000. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,25. Тираж 100 экз. Заказ 092-00. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры

Отпечатано в рекламно-издательском секторе ОМС ДонГАСА

86123, Донецкая область, город Макеевка, улица Державина, 2