автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Расчет и конструирование эллиптических сталежелезобетонных архитравов

МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ КОММУНАЛЬНОГО ХОЗЯЙСТВА и СТРОИТЕЛЬСТВА

На правах рукописи

РИМШИН Владимир Иванович

УДК 624.016.5

РАСЧЕТ И КОНСТРУИРОВАНИЕ ЭЛЛИПТИЧЕСКИХ СТАЛЕМЕЛЕ30БЕТ0ННЫХ

АРХИТРАВОВ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания

и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1992

Работа выполнена в Московском институте коммунальной хозяйства и строительства.

Научный руководитель: доктор технических наук, профессо; СУРОВ К.Л.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор БАРБАКАДЗЕ В.Ш., кандидат технических наук. , доцент УЛИЦКАЯ Э.М.

Ведущая организация: Центральный научно-исследовательские экспериментальный проектный институт по сельскому строительств! "ЦНИИЭПсельстрой".

Защита состоится 19.05.1992 г. в 13 часов на засеяанш специализированного совета К 063.08.01 по присуждению ученоС степени кандидата наук в Московском институте коммунальной: хозяйства и строительства по адресу: 109807, Москва, Ж-29, Средняя Калитниковская ул., д.30, МИКХиС, актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московскогс института коммунального хозяйства и строительства.

Автореферат разослан 18.0у.1992 г.

Ученый секретарь специализированного совета

М.В.Берлинов

¡„ц-.-л ' Актуальность работы. В "Основных направлениях экономического "и "социального развития СССР на 1986-1Э90 годы и на период до 2000 года" указывается на развитие машиностроительного комплекса, который в первоочередном порядке призван обеспечить коренную реконструкцию и опережающее развитие, прежде всего, станкостроения и прзссостроения. При увеличении выпуска продукции машиностроения и металлообработки на 40-50 процентов предусмотрено снижение в двенадцатой пятилетке удельном металлоемкости машин и оборудования на 12-14 процентов,сокращение расходы проката чеиных металлов в среднем на 27-29 процентов, в том числе стальных труб на 20-22 процента.

В настоящее время наметилась тенденция с целью существенной экономии металла заменять стальные станины прессов, развивающихся суммарное давление 20-100 тыс.кН, преднапря;;;енны.ми железобетонными. В связи с тем, что бетон в этих конструкциях находится в сос-Iоннии трехосного сжатия, его критерии прочности существенно повышается,что делает конструкции станин экономически выгодными. Однако, в связи со сложным характером грузовых воздействий, сложной формой конструкции и отсутствием готового, достаточно компактного метода для расчета трехоснонапряменных конструкции создание соответствующего расчетного аппарата является актуальной задачей.

Диссертация выполнена в соответствии с планами научных исследований кафедры железобетонных конструкты ьЗИСИ, хоздоговором НИИйБ Госстроя СССР 4-1-7-П-1, 17-87 "Провести исследования и разработать прессовую установку усилие:,: 100 мН и серийные испытательные прессы со станиной и элементами из объемно-напряженного железобетона".

Цель работы состоит в создании конструкций трехэсно-обжатых железобетонных станин гидравлических прессов с оптимальными по возможности конструктивными параметрами, с учетом технологических, экономических и других требований.

Автор защищает: - результаты экспериментально-теоретических исследований на натурных образцах и моделях архитравов по определению величины предварительного обматия высокопрочно.! кольцевой оооймой;

- разработанную инженерную методику расчета трехосно-обнатых железобетонных архитравов гидропрессов большой мощности, имеющих б плане эллиптическую форму;

- рациональность принятого конструктивного решения для железобетонных станин гидравлических прессов в виде трехосно-обжатых (в кольцевом и меридиальном направлении) эллиптических цилиндров.

Научная новизна работы состоит в разработке новых видов конструкции станин гидравлических прессов большой мощности в виде грехосно-оа.аагих напрягаемой арматурой, эллиптических цилиндров с использованием аффекта существенного повышения предела прочности бетона при трехосном сжатии. Значение работы состоит в создании корректной методики расчета трехосно-напряженных железобетонных элементов в виде эллиптических цилиндров с учетом нелинейности деформирования материала с применением расчетной модели в виде пакета эллиптических плит на упругом Винклеровом основании и с подтверждением расчетно-теоретических положений экспериментальными данными.

Практическое значение работы состоит в апробации и внедрении в практику машиностроения разработанного вида станин гидравлических прессов большой мощности, а также позволило сформулировать рекомендации практического характера по проектированию гидравлических .железобетонных прессов большой мощности на примере натурного пресса ШВ-И500, изготовленного и переданного в постоянную эксплуатацию ЗОКИО ЦНИНСК им.Кучеренко Госстроя СССР. Экономический эффект от внедрения пресса ПйБ-2500 составил около 150 тыс. рублей по сравнению с аналогичным прессом, выполненным в металле.

Апробация работы. Результаты работы доложены и одобрены на л/1 и ХУП институтских научно-технических конференциях ВЗИСИ научно-техническое! конференции молодых ученых и специалистов Мин-стропматзриалов СССР и Минвуза РСФСР (Воронеж, 1987 г.), научно-технической конференции молодых ученых и специалистов НИИКБ Госстроя СССР (Москва, 1987 г.), университетской научно-техни-ческои конференции Чувашского госуниверситета им.И.Н.Ульянова и республиканского правления НТО Стройиндустрии (Чебоксары, 198/ г.), институтских научно-технических конференциях Брянского

¿-схиэлогнчзского института (и^ннск, 19*Зо г.), Ивановского инке-нерно-огрэагелыюгэ института (планово, 1и<Зо г.), Уральского оидона трудового Красного Знаииш политехнического инст/ьуха и-1.0.!.1.Кирова Юьврдлоьек, и38 г.), У1 научно--! здиичаскэл кон-ч.еренции молодых ученых и специалистов Ц||ИИПро:.!и;...>пы Гоий.рол СССР (¡лоокаа, 19ЬЬ г.) ооласгнол научно- ¿«хническо.. кзн,с.>онци11 ордена "Знак почета" Уральского Иромс *,.ю»НИИпрдо«.л л аоластного соиога ИГО (Свердловск, 1'аоа г.), ХХУ11 Всееолззно:.! семинар« научного сонета по проблеме "игыеритльиаз процессы и сисюлы" Академии наук ССОН Ыарва, иео г.), межотраслевой кисгавка -:. "■¿«»УРОЛОГИЯ в е'1рО,ЬЧ;ЛиСТВ9" 4Д(1Х СССР (.„ОСКьи, 1СаО г.).

Иурликаи.»;.Основное содержание раооть! опуоллковано „ четырнадцати иаботах.

ООьал оаоо:ы. Раоота сосгоиг иа введения, ш.л глав, заключения, списка литературы и приложении.

Содержание работы

В первой главе рассматривав тел состояние вопроса о поимене-нии наирягазиих иелеоооегонных элементов в маилноотроении п рае-чегно-теоретпчоскол п практическом аспектах. В настоящее воемя ь нашем стране л за рубимо.: провода гея значительные исследования з даннол ооласти. ,-юйно заметить, ч*о для операх .¡о кон туе >' п.\,а, работа^цих в свое.! плоскости пл.; на лзгио, а то.*. боле- .д.,-: оснонапртйенныл конструкции задача не а>*ь&» до^ахбчло одного реленин, несмотал на некоторою 1-ые л иесн предломенлл чалного характера. Заполнений этого плооела ь .значительном с*оизш: способствует теоретические и экепори.ленталыше исследования о.Л.Алпе-ринол, О.Я.Берга, В.М.Бондаренко, .'Л.И.Браиловского, Б.1'.Галеоки-на, А.А.Гвоздева, Г.А.Гениива, В.С.Зцоренко, Н.и.леопенко, Л.К.Дукли, И.1'.л:одковского, Р.С.Санларовского, 1'.1 .^.'лоленцеьа, Л.И.Схороденко, К.Л.Сурова, Ю.Н.Хро..:ца и др., а такле ряда зарубежных авторов поскольку они открывал- воу*оанооь! л солее или менее оощ<г/1 постановке последовательно оценивать работу конструкции от упругой стадии, ынзть до стадии олизкои к исчерпания их несуьел способности, а 1ак.-(е осуществлять переход к рассмотрений предельных состоять» по кршерпл прочности.

Методика определения прочности йетона, находящегося в тоех-осно напряженном состоянии, в определенной степени разрабатывалась в научно-техническом литературе. Оообщая эти разработки можно сделать вывод о том, что в системе координат главных напряжении у / задается некоторая поверхность вэаценил второго порядка, вследствие равноправия осей координат осесиммет-рично относительно оси ^ а б^ являющаяся геометрическим местом множества точек, интерпретирующим условие прочности Оетона. Предполагается, что напряженное состояние материала, соответствующее точке внутри ото«; поверхности, не вызовет разрушения материала. Начало координат * =¿7 , соответствующее ненапряженному состояний оетона, такке находится внутри отои поверхности. Траектория нагруженин материала изоооажается в системе координат ^ ^ ; лучом, восходящим из начала координат и проходящим через заданную точку с координатами, равными вычисленным значением главных напряжении. Точка пересечения данного луча с "предельной" ¡¡¿ьзрхностью и характеризует прочность оегона в заданном напряженном состоянии. При зтом, если * » , что соответствует случаю равномерного ооъемного сматил, то материал неразрушим, так как характерный луч и предельная поверхность не пересекаются. Для определения предела прочности, согласно изложенного, модно использовать критерии К.Л.Сурова.

/6"/. « Ь, *г /*.(*< + «- V; " [К* (-' + -

- уз) ; С1)

где Ъ/Яв = - > я-лг-к^г.

Данный критерии прочности использован ь настояще.; оаботз. При о 1 ом положение главных площадок опуододяегоя по формуле предложенной К.Л.Суровым

¿.с и4 - {[(** + Г«

♦ (Ъ,' ^ ус 6' Ф] <*>

где ; ; С, ,

/ - компоненты тензора напряжений;

^з) * (¿хТ ] ' -интенсив-

ность напряжений; р/у - косинус

угла наклона первой главной площадки к поверхности ХУ.

Остальные два угла с^ находятся по этой же формуле с использованием правила круговой подстановки.

Во второй главе описаны результаты статических испытаний трехосно-объемно напряженных сталенелезобетонных архитравов станин прессов под большие нагрузки (свыше 20000 кп.', имеющих форму эллиптических цилиндров. В этой же главе приведены предложенные феноменологические зависимости для пр.г.зарительных, упрощенных инженерных расчетов архитравов данного типа.

Для апробации теоретических расчетов и экспериментальной оценки прочности и влияния степени бокового обжатия эллиптических в плане станин, являющихся моделями опорных конструкций натурного железобетонного прессаПйБ-25Э0 с усилием 25000 кН автором были изготовлены и испытаны три модели, выполненные в виде эллиптических в плане сталежелезобетонных плит с размерами в плане 1050 и 735 мм и высотой 340 мм. Для армирования конструкций применялись стальные каркасы М16/5 и М24/3 и М36/3 (где в числителе количество вертикальных распределительных стержней 0 ЗбА-Ш, а в знаменателе число слоев навиваемой обоймы из высокопрочной проволоки ф 5Вр-П).

Каркасы были снабжены эллиптическими торцевыми листами толщиной 8 мм из стали СтЗ, объединенными арматурными стержнями ^ 36 А-Ш. Для обеспечения жесткости каркаса стержни заводились в отверстия торцевых листов и заваривались. По периметру образцов устанавливалась обойма из металлического листа толщиной 3 мм из стали СтЗ, выполняющая роль опалубки.

Радиусы кривизны обоймы варьировались для выявления наиболее рационального эффекта от обжатия обоймы при заданной эллиптической форме сечения. Бетонирование образцов производилось в положении "на боку" через окно в обшивке.

Каждый ооразец заполнялся бетоном, приготовленным с точной весовой дозировкой материалов и воды.

Состав бетона на 0,25 м3:

Цемент - 125 кг, песок - 108 кг, щебень - 270 кг, вода -48 л, пластифицирующая добавка С-2 - 3 кг.

Для вибрирования использовались навесные вибраторы типа 4В-70 ГОСТ 7124-79. После вибрирования окно заваривалось металлическим листом такой жз толщины как и обшивка с сохранением эллиптической формы модели. Навивка 3-5 слоев высокопрочной проволоки 0 5Вр-П производилась на поворотном столе типа ДН-5 в виде сплошной обоймы ооразованной по боковой поверхности моделей с усилием натяжения на одну проволоку д/ = 16 кН.

Для получения заданной величины предварительного напряжения обойма выполнялась на модели М16/5 в пять слоев, а на моделях 25/3, Зб/З в три слоя. При подсчете величины предварительного напряжения потери под витками спиральной обоймы принимались в соответствии с требованиями СНиП 2.03.01-84. Прочность бетона при сжатии и его начальный модуль упругости определяли путем испытания серии контрольных кубов размером 20x20x20 см и призм размером 20x20x80 см через 7,14,21 и 28 дней. При сопоставлении результатов испытании в каждом отдельном случае учитывалась фактическая прочность бетона модели на время проведения эксперимента.

Куоиковая прочность Р0 и призменная прочность 1?в бетона в период испытаний составили соответственно Я. =60,3 МПа, В^ =1>6,2 1.;Па, что превышает максимальные нормативные данные для бетона В60 (- 43,0 МПа), кроме того испытывались два образца н натуральную ьеличину. Однако в связи с недостаточной мощностью силовои установки они не доводились до разрушения.

При испытании модели устанавливали в пресс усилием Р=Ю000 кН на опорные металлические подставки, имеющие форму круга р 300 м,.1 бысотои 150 мм, имитирующие распределительные анкерные плиты под напрягаемую арматуру в натурных конструкциях.

В верхней части усилие передавалось через металлический штамп Ш-1, имеющий размеры в плане 650-450 мм и толщину 50 мм.

Условии иоредачи нагрузки на ооиазиы соответствовали ьозд~..сгь.и жесткого стампа.

Фактически нагруженпи иоделэд осуществлялось от /¡¡он.¡ми, соответствующими примерно 0,1 риэруш8.ои.ег1 нагрузки, т.«. по 1000 ¡ill. После каждого этапа нах'руаенил выдержка сосха&ътла 5-10 а/к, aai\j:j проводились ь.13уа.»сныл осмотр ооразцов, Heooxjn.i^c измерения деформации и напряжении соответствующими np.ioo.x.;.:;i и поьиао-ние нагрузки до следующей ступени. Нагрузка ¡.¡ксироаалась "а силоизмсрительнои шкале испытательного пресса.

При навивке на модели напряженно»: ооэииы шолзьодллйсь измерения горизонтальных и осевых деформации, а также определялась величина фактического усилил нзхлзения проволок;!. При испытании на воздействие сгзтическон нагрузки на различных схапал нагоуме-ния изы&одлись деформации напряженной обоймы, поиоохностные деформации на незагруженных участках, перемещения торцевых поверхностей при действии нагрузки (контактное смятие слона и общий поогиб под штампом), деформации распределительных стер..'.ней <j> 36 А-М , а также напряжения на контуре моделей, изменяемые ..игнигоупругими датчиками типа U24-J00.

Величину нагя«»ния проволок;: наплшеннсм обо.ии мозолей в процессе навивки измеряли ири потоки измерительно,, скобы с ;:нлл-Kuтором.

Длл измерении деформации на поверхности моделей в напр.¡.панной проволоке и ¡¡а вертикальных стержнях применялись 'тензорези-сторы сопротивления с базой <¡0 и, принцип раоогы коюрь'л оснсьан на сБО..лье проводников или полупроводников изменять свсе электрической сопротивление в зависимости от деформации.

Длл исследования напряжении в теле оетона применились м.агни-iO/nayrn-j датчики типа Ц-24-oOO, выпускаемые ЗСШЮ ЦпЛнС.Ча им.Кучеренко 1'эсстуоя СССР, которые были отградуирован;.: по ооразцово ij динамометру типа ДОС!.; 3-3 60, амперметру типа j-o-ill 46807, вольтметру iг.па «-¿64 "¿20. Принцип работы магнигоупругого датчика основан на изменении величины силы тока при действии снимающего усилит, после чего по тарировочним таолицам оирочеляется величина наполнении в теле бетонного ядра. Пои этом диапазон измерения напряжении от силовых воздействии, а также ползучести, усадки составляет от нуля до 70,0 ¡ЛЬ, что существенно обличает

датчик данной конструкции от других приборов, производящих глубинные измерения в железобетонных элементах. Датчик Ц-24-500 отличает простота пользования, значительная скорость реагирования, минимальная погрешность, зависящая от неоднородности структуры оетона, которая полностью учитывается испытанием стандартных призм и введением поправочного коэффициента К = 0,74-0,76.

Датчики были установлены по контуру образца »юдолей я по направлению главных осей эллипсов. Измерение напряжении в бетонном ядре регистрировалось после навивки каждого слоя, а при статических испытаниях (модели доведены до разрушения) после каждой ступени увеличения нагрузки (нагрузка увеличивалась на каждом этапе на 1000 кН). Крепление датчиков осуществлялось путем использования специально изготовленных реаеток из проволокиф 3;лм А-1, в ячейках которых гонкой мягкой проволокой произьодилась их фиксация. Схема измерения просадки штампа и общего прогиба при сжатии образцов производилась индикаторами часового типа по обычно.; схемс.

Анализ работы архитрава под нагрузкой по данным экспериментальных исследовании М.И.Браиловского показывает, что на несущую способность образцов влияют: высота архтраю п., диаме«р штампа с(0 , класс бетона, величина поперечного давления напряженной обоймы, рабочие пролег архитэава £ , равнин внухронном/ диаметру опорного кольца, наличие или отсутствие трения ме.мду опорным кольцом и оетоном. Любопытен характер разруыони« оСюаоцов. ..'.И.Браиловскип его оппсывает следующим образом. ¡Знеишиии признаками исчерпания несущей способности плиты являются развитие сотки радикальных и кольцевых трещин на опорно;'! и натр/лаемой поверхностях, раздробление оетона вокруг ш-ампа и вмятие его под штампом, перемещение его срединной части относительно наружного кольцевого слоя.

Данные показывают, что при разрушении образцов с больной высотой II происходило продавливание бетона. Об этом мо свидетельствует зависимость разрушающей нагрузки от омсох:: оорпзщ при постоянном диаметре штампа.

Как показывает характер разрушения оОоисцоз в экспериментах М.И.Браиловского и др. и феноменология напряженного состояния архитравов, геометрические параметры и их соотношение оказывают

существенное влияние на работу и характер разрешения образцов. В первую очередь следует различать два типа напряженного состояния: трехосное сжатие при и объемное напряженное состояние сдви-

га со сжатием или изгибом при сАо й С • Во втором случае для высоких архитравов ( Н[ £ ъ 0,75 и </о [ £ % 1 ) преобладает разрушение от сдвига со сжатием. В этом случае происходит поодавливание элемента при разрушении.

Если высота образца невелика и , то существенную роль

начинает играть изгиб архитрава, как эллиптической пластинки, опертой по контуру и нагруженной в центре распределенной нагрузкой. Последнее напряженное состояние наиболее неопределенно, однако оно менее характерно для конструкции архитравов кузнечно-прессовых машин, чем первые два (трехосное цилиндрическое сжатие и сдвиг со сжатием при объемном напряженном состоянии).

Введенная классификация напряженных состояний предопределяет принципы расчета несущей способности архитравов ^узнечно-прессових машин.

В результате для инженерного метода расчета по прочности эллиптических в плане ригелей можно применить расчет по проверке конструкции на действие перерезывающей силы в сечении по внутреннему образу колонн по формуле (У ± Я^ А ; (3 ) где О - р/2

расчетное усилие пресса;

сопротивление бетона сразу при поперечном обжатии; (Г *

0Л5 К о * О поп 0Л

0.5 Яо при 0,35^6б0,7/?о

ширина сечения по обрезу колонн;

Р

о

ьег

Яа^еъ =

=

в

4

- высота ригеля.

Moüho отметить существенное различие в картинах напряженного состояния в круглой плите (решение задачи Ляме) и в овальной плите.

Рассмотрена возможность оценки несущей способности испытанных плит как суммы нагрузок, воспринимаемых при срезе в отдельности оетонным ядром, торцевыми листами и боковым листом, т.е. по формуле: Р^ 2. (ввНХ£ + £gs <TSfTs * k Ts ) ; ( 4 )

где Tg - сопротивление срезу бетона;

Т~ - сопротивление срезу стали.

rf = 1,5^.1 D,25 Rq -l.SRgt.se7. при 0¿6~< 0,1 6 0,i ( 5 )

= 0,15 Qo * 6 при O.lRffc 0,35/?«,

T¿= 0.5 во при 0,35/?#<^0,7 Ro

при ftg-t - сопротивление бетона осевому растяжению.

С учетом приведенных зависимостей можно половить: Ts = 0.58 Rs

где Rs = 240 ;,!lla - предел текучести СтЗ, расчетные предельные нагрузки «одолен ;.! 13/5, М 25/3 и М 33/3 составят соответственно 14,30; 14,5/ и 14,07 мП, что практически совпадает со значениями , излучении;'.и экспериментально.

'¿. Расчст массивных балок и плит, типа архитравов станин прессов точными методами (Í.Í1Í0 и др.) трудно реализуем в практическом проектировании, однако, возможен (си.шше). В связи с lthm предлагается инженерный способ расчета контактной жесткости таких конструкции в эксплуатационной стадии работы.

Способ состоит в том, что прогиб плиты находится как сумма двух составляющих. Первая составляющая ( Д./ ), обусловленная деформация'.;'.! изгиба и сдвига, определяется на основе обычных гипотез технической теории балок и плит, поскольку получаемая величина яьляохед ./сродненной по высоте конструкции, принимается, что она представляет прогиб в уровне срединной поверхности. Вторая составляющая ( ) учитывает деформации обратил в направлении действия нагрузки; опа определяется из обобщенного закона Г/к а а предположении, что напряжения обжатия б^ и нормальные

nooniü'.l ilUllp)¡.íCH!H УСИЛЯТСЯ ¡10 L'lluOiö лмне.шо.

м-! обоснования возможное i4i использования i;j;í-

оли./.енного ипосоиа для расчзта .:oiuuíuhoí; жесткое.и или: оь;.:о проьедоно conocí гшлон::.; получаемых с его помог пож-илииешшх аначсни.1 прогиооь с укекзэименталыиии.

И л;слижош:оо значение цаколглльиого A mjcímu.i з ïomtù i) определялось по ¿оомулам:

л - д, + д2 ; (б у

* л „ + а , + д'л, ; С 7 )

Аа- A'v * Л'; = fi^z ; ( в )

л Í

А>Г; с?)

S Сг«г* -I- ♦ £) ; и- »

j) = __еА3__- (ti)

1Z (Î - * Д/ч ~ Дм (fyu}Ъч)

Ay » + . С16>

¿.'„..¿¿SZL.JL .JBJb.. ,„7,

ZE 2. £T Z ' < ''

где Дм~ прогиб, обусловленный деформациями изгиба;

А«» - прогиб, обусловленный деформациями сдвига;

Д'м~ попРавка к ^М > учитывающая различие прогибов при чистом изгибе и поперечном изгибе;

- радиальное фибровое напряжение в центре плиты; (jJj - окружное фибровое напряжение на периметре плиты; £ - модуль Юнга;

модуль сдвига;

- коэффициент поперечного расширения.

Интервалы в выражении для Дг, представляющие прогибы от обжатия по отрезкам АВ (АВ) и Сф, вычислены в соответствии с эпюрами Погрешность расчетных значении прогибов по сравнению с опытными 3-0л.

При практических расчетах целесообразно определять прогиби конструкции типа архитравов станин прессов по упрощенной формул э

= Ад, ^ + Ад/ (23)

Она дзет результаты с отклонением и сторону запаса до iол.

В третьей главе разработаны расчетно-теорзтическиз вопросы:

а) Методика расчета оллиптическогоо яолоооОатониого диска па нормальные по контуру силовые воздействия (íi.nocHaji задача). Решение огон задачи необходимо для оценки напряженного состолнил архитрава при обжатии напряяеино» кольцевой артматуоои.

б) .Методика расчета эллиптического кслезоос^ошюго цилиндра на иерицианалышс силовые воз.чойс i-вия с использование..: раоочел модели в виде пакета эллиптических в плане слолио-наполжспних плит на упруго;.; Винклеровом основании. Задача релепа методами Бубнова-Галеркина и ".-С;3" с примененном neo:орфических, гипер-бодо-еллиптичеекпх координат. Роленпе ото., задачи необходимо

)

(2о)

для оценки напряженного состояния архитрава :ip:i .. силу .. ВИНОВНЫХ СИЛОВЫХ ВВВЦОДСТВИЯХ.

В связи и иоломеилшл представляется рационально., ;юпит.с. свести данную тре:;,.;ерную зада-:/ :с двух:.:еоно>; путем введения в рассмотрение некоторой достаточно достоверной эабэчо.. лзцели. Очевидно, такой моделью мо„:ст являться пакет из едлигил-ческих плит на упругом (Вилвлеровском) основании, загру...-Л1ных к:и; нормальной, так и кошурно.. »'ангенциальнол нагрузке.,, при условии теоретического и сноменологпчесхого обоснован;::: значе-iniù кос^ициеита отпора. Тогда расчет конструкции :.:o.:ov быть сведен к последовательному peueiwj несколько задач о с.,о:;::ом изгибе тонко:, оллпптнчjcko.i плиты, который определяет для каждого слоя пять компонент напряженного сосгоян:;;: лести (кроме б^). За совокупность онг.ч&пь при сто:: .¡о..:ю принимать функцию отпора основания для еоответсгвуюва., плиты, лотс-Р■ j;т может одновременно расс:.:атриват вся как грузоиоо воз;с.,ств::е ш-.оль координат Z Для следующего, нижележащего слоя.

При ото:.: возможно, без существенной погрсапостп, ¡поделить задачу на две основополагающие:

а) плоска.; залача об оО:.:ат::п эллиптического диски ¡:онт/рпы-:.iii силами;

б) задач.: о^ изгибе оллии^.р.'огко.; плиты на упруго:.: оспсьа-

Для расчета ¡эллиптически:: архитравов станин прессов данная •¡п.ономиая ъи.чпча имеет ьл...::се практическое значение, таг г кольцевое обжл.ие можно рев/ ..: зоваiь в „.одательни,; пред .лав:. Учитывая, что потери напр:; .■_иi:.. ь .р.лауурз раст./i с /ьс...:чои;:с:' радиуса ¡;рив::он.: контура, п.лвато уравнение кон;/.;., в .z:

х^/а.2- + у2-/вг - 1 (2*)

сл\ача рожалась обратил.: ¡особом. .'равнение ;: : : /ллцпл л .¡¡.¡>л,::.:::::Л ( /икции ¿.ри) :

Я>0 (х 2/gL~+ if- С,хг-Сг f • (25)

Сл.. ..лдно, ч-.« ...С!'.л_::о ( 25) и ■ ' /рс lfQ conS-t .

Соотвоi ; лллию, окончите, i .в :_ раеч-.пие х.ов ,/л: дл.. :е::с.;.в-¡¡лх усилил, иезнипающих при о.........л ::онт / en _.iB..;:iea пс л._т в::.;:

«r°'spiii&K*'/(*L+yz/*2-1)-p-fi ; <26>

Ых^о^Р^у/б2-* Kz/az- 1)-P ; ( Z7 )

5= Рку / а2- • (2в}

При этом связь параметра р и усилия напряжения apryaiypu выранается зависимостью:

Р- л/0/А* Ый а/вг ) (2е)

Решение данной задачи ыоано такие искать с изотермических гиперболо-эллиптпческих координатах, что повышает точность расчета и радикально упроцает формулировку граничил): условии. Как известно, некоторая пологая поверхность (в том числе срединная поверхность изгибаемои плиты) может быть представлена в виде ,ункции двух независимых переменных X f у в декартовых координатах или ^ t о^ в криволинейных изотермических координатах, причем эти две системы координат связаны уравнением:

где - некоторая функция от криволинейных координат. Соответственно уравнение сломного изгиба плиты для случая пои-мененил произвольных криволинейных изотермических коорцпиат получается в виде:

С 3d.)

■(ыт^^чУ *}<а. ю >

где 2) ~ цилиндрическая жесткость пластины; С - некоторая характерный линейный размер; Л/^, Л^ - заданные на кон»/ре погонные мембранные нагрузки; К - коэффициент отпора упругого основания; W - .функция прогибов; ) - грузовой вектор.

Дифф-еренциалвнып параметр имеет значение:

Расчетная постоянная С s Const получает значение окоцентри-ситета рассматриваемого эллипса, с полуосями 4.: & ■

с I it

с = (а*- в?)°'S= const ; (зз)

Некоторая эллиптическая координата^определяется из выражения:

, (34)

а некоторая гиперболическая координата при полуосях гиперболы Д. -, €^ выражением

(при = а% +4°: )

1 с « </

Для дальнейшего решения задачи следует использовать конечно-разностные выражения для производных с переменным шагом сетки.

Для решения задачи в рядах можно также использовать процедуру Бубнова-Галеркина, получив следующие конечные результаты:

Те 2 Ж *тп Ссо*2.тГ$) {я.**^" п=1 _ . , _ ' . у

( 56)

Следует отметить, что эпюры прогибов пакета плит составляющих цилиндр (см.расчетную модель) по мере удаления от торцов выравниваются и приближаются по форме к постоянным. Поэтому расчет целесообразно вести одновременно от обеих торцевых поверхностей и прекращать когда = К и/ соп&-Ь . тогда в ряде случаев окажется необходимым рассчитать только несколько плит, а не весь пакет.

В четвертой главе рассмотрены вопросы алгоритмизации и программирования на ЭВМ расчетов архитравов станин прессов, а также дано сравнение расчетных и экспериментальных данных. Реализация на ЭВМ алгоритма решения задачи расчета эллиптической плиты на упругом основании со свободными от закреплений краями, являющейся основным звеном для расчета эллиптического цилиндра в целом (в рамках принятой расчетной модели) в случае привлечения аппарата КР с учетом принятого способа преобразования координат, может в значительной степени базироваться на традиционных приемах. Основные характерные отличия могут быть сведены к следующим:

I) дискретные соотношения (строки матриц) должны включать в качестве множителя для определенных алгебраических выражений дифференциальной преобразователь координат (3 2. );

2) решения двух составных частей задачи - относительно прогибов (определяющей компоненты напряженного состояния ,Тг£ и относительно функции напряжений, определяющей компоненты <^Л,'Чу,',огут ^ыть автономизированы, т.к. после решения разрешающего дифференциального уравнения относительно прогибов, полученный вектор может быть использован в качестве правой части для последующего решения уравнения относительно функции напряжений;

3) структура получаемых матриц коэффициентов системы алгебраических уравнении такова, что имеет место очевидное преобладание диагональных элементов по модулю. Как известно, это обстоятельство является избыточным признаком для сходимости итерационного процесса при решении систем алгебраических уравнений одним из итерационных способов.

В пятой главе обусловлена технико-экономическая эффективность применения предварительно напряженных сталежелезобетонных архитравов станин прессов взамен стальных.

оыл произведен расчет технико-экономической эффективности внедрения в производство трехосно-обжатых железобетонных эллиптических архитравов станин прессов.

Стоимость стального архитрава оказалась 7672 руб., а стоимость железобетонного архитрава - 1574 руб.

Технико-экономический эффект:

и = (Ст-С,) - . (К^) . А2

себестоимость единицы продукции до и после использования предложения;

удельные капитальные вложения в производственные Фонды до и после использования предложения; нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; обьем продукции.

В нашем случае можно положить К^ = К^. Тогда: и = (7672 - 15/4) х 2 = 12236 руб.

Ч л °2 И, и II,

1 »V

ii

Данная сумма удельного технико-экономического эффекта подлежит умножению на количество выпускаемых прессов и на косффнцизнт, отражающий размер накладных расходов.

ВЫВОДЫ

По данным представленной работы могут быть сделали :ледующ;;а выводы:

1. Поставленные основные задач::, к которым относятся с наделение оптимальной величины предварительного обжатия предвзритоль-но-напря,ленных делззос'зтонних эллиптических зрхитзавов станин прессов, уточнение их оаиионалышх геометрически:-. Л2;,з:.:етров, оценка их несуще!; способности, разработка методики их расчета, оценка технико-экономического эффекта от их внедрения в производство представляются выполненными.

2. Выбранные габариты архитравов (эллиптически;! цилиндр 210х147::оГ> см) удовлетворяют как технологически:.;, гак и статистическим требованиям, перепад потерь напряжения кольцевой напрягаемой арматуры от трения о поверхность переменно:; конвизны оказался но слишком большим (до 20%).

3. Кольиззое обжатие ¡сонтуиа архитравов до нлпря;.;ании о; Р0=25 МЛа, до Р =60 МПа прсдстав;:л;-зь достаточны:.:.

4. Дополнительное вертикальное обжатие архитравов стзождодэд арматурой А.-и до напряжений 6,0 "Г1а сказывается полезны;;, так как повышает предельную прочность Сетона из-за наличия трехосного сжатия до 140 .МПа (т.е. на 25СЙ) х. стадии обжатия до 123 МПа (т.е. на :220л) при одновременно:: дс-Лстаин сил обжатия ;: эксплуатационной нзгэузки.

о. По экспериментальны;.: данн:;\: как нормальные, так и главные напряжения во всех точках архитрава, под одновременны..: доздойст-бкзм сил обжатия и эксплуатационной нагрузки существенно меньше (на 30--с0%) критерия прочности трехосно-сжатого в заланиух пределах оегонз, при определении и г ого критерия известил:..:: гооэетпчсс-кимп методами.

6. Причиной оазрувення образцов явились наибольшие касательные напряжения, действующие под углом 45° к главным ял::адкам и имеющие интенсивность= 0,5 (+ ), т.е. среднее ариф-

метическое от значений максимальных и минимальных главных напряжений .

7. Разрушающая нагрузка для образцов, являющихся моделями архитрава в масштабе 1:2 в среднем соответствовала 1700 кН, что в пересчете на натуру составляет 68000 к!! и превышает эксплуатационные воздействия на 270%.

8. На основании обработки данных экспериментальных исследований получены феноменологические зависимости, позволяющие достаточно простыми приближенными инженерными приемами рассчитывать эллиптические сталенелезобетонные напрягаемые архитравы станин прессов на прочность и определять их прогибы от эксплуатационной нагрузки. Расчеты, основанные на применении этих зависимостей, дают отклонения от данных более строгих расчетов и от экспериментальных данных в пределах до 15%.

9. В связи с существующими математическими трудностями, возникающими при решении задачи расчета трехосно-напряженного эллиптического цилиндра на сложное сочетание грузовых воздействий и граничных условий методами теории упругости даже в упруго-линейной постановке, предложена расчетная модель, сводящая трехмерную задачу к двухмерной. При использовании 01011 расчетной модели достаточно высокий эллиптический цилиндр рассматривается как пакет эллиптических тонких плит на упругом основании, воспринимающих одновременно как нормальные нагрузки, так и контурные нагрузки, действующие в плоскости плиты. При этом отпор вышележащей плиты рассматривается как нормальная нагрузка для нижележащей и численно равна меридианальному напряжению .

10. Разработана достаточно простая автономная методика для расчета эллиптических архитравов на силовые воздействия от обжатия кольцевой напрягаемой арматурой. При этом каждая плита в составе расчетной модели рассматривается как плосконапряженный диск. Решение задачи получено обратным методом, т.е. подбором алгебраического выражения для функции напряжений, удовлетворяющего начальным условиям задачи, что позволяет получать замкнутые формулы для вычисления соответствующих компонент напряженного состояния.

11. Путем конформного преобразования декартовых координат в изотермические гиперболо-оллиптическиз координаты, получено общее решение основополагающей при реализации расчетной методики задачи

о сложном изгибе эллиптической плиты на упругом Винклеровом основании при свободном от закреплений контуре с учетом влияния сил, действующих в плоскости плиты.

12. Полученное решение задачи о слонном изгибе эллиптической плиты на упругом Винклеровом основании конкретизировано с помощью аппарата КР, что дает возможность доводить решение задачи до числовых результатов.

13. Показано, что решение задачи монет быть реализовано такие методом Бубнова-Галеркина, в случае удачного выбора системы функций, удовлетворяющих граничным условиям на контуре эллиптической области. Такая система ортогональных трансцендентных функций подобрана и представлена в работе.

Вычисление прогибов плит (т.е. в рамках расчетной модели, вертикальных перемещений отдельных точек архитрава) по данному методу, как показал численный эксперимент, дает удовлетворительное совпадение с опытными данными .

14. Рассмотрены вопросы об учете в расчетах эллиптических ыелезобетонных архитравов физически-нелинейных факторов, к которым отнесены изменения значений секущего приведенного модуля деформаций материала из-за наличия армирования, нелинейности диаграммы "напряжения-деформации" для бетона и реализация явления его быстронатекающей ползучести. Показано, что для учета этих факторов необходимо после 1-й коррекции значении приведенного секущего модуля деформаций, производить повторный расчет объекта, затем производить новую коррекцию совокупности значений модуля и т.д. до удовлетворительной сходимости реализуемого интерационного процесса.

15. Составленная программа расчета эллиптических трехоснооб-катых сталекелезобетонных архитравов станин прессов на ЭВМ

» EL.LV Рз " практически апробирована и результаты расчетов сравнены с экспериментальными данными. Программа реализует решение задачи в изотермических гиперболо-эллиптических координатах, с экспериментальными данными. Программа реализует решение задачи в изотермических гиперболо-эллиптических координатах, с привлечением аппарата КР и решением аппроксимирующей системы алгебраических уравнений итерационным методом Зейделя. При этом используется ра-

бочая модель в виде пакета эллиптических плит на упругом основании.

16. Результаты сравнения опытных данных с данными расчета на программе показывают, что отклонения для нормальных напряжений не превышают +2,5X - 12,5%, для касательных напряжений +5% - 0%, для перемещений +2% - 8%, что допустимо.

17. Предложенные замкнутые формулы для выявления компонент плоского напряженного состояния эллиптического архитрава при обжатии кольцевой напрягаемой арматурой, дают удовлетворительное совпадение расчетных значений этих компонент с экспериментальными (при расхождении + 2,5% - 10%). Потери предварительно напряжения арматуры определенные по данным табл.4 СНиП 2.03.01-84 соответствуют опытным данным.

18. Экспериментальные значения компонент напряженного состояния архитрава подтверждают корректность предложенной расчетной модели в виде пакета эллиптически тонких плит на упругом основании. При этом, в случае неполного опирания одного из торцов расчет пакета следует произвести как в направлении сверху вниз, так и снизу вверх. При этом в средней части цилиндра напряжения (отпор плит) получаются идентичными.

19. На основе данных сравнительного анализа показан ряд преимуществ трехосно-обжатых сталежелезобетонных архитравов по сравнению со стальными (уменьшение собственного веса в среднем в 2 раза, уменьшение в 4-5 раз расхода металла, снижение стоимости более чем в 4 раза и т.д.) при практически одинаковых эксплуатационных качествах.

20. Проведен необходимый технико-экономический анализ, который показал, что применение сталежелезобетонных архитравов взамен стальных, должно снижать стоимость одного пресса не менее чем на 12240 рублей. Это обстоятельство должно иметь существенное народнохозяйственное значение. В связи с тем, что объем обработки металлических изделий прессованием (штамповкой) все более возрастает, ввиду ряда преимуществ этого способа по сравнению с токарной обработкой заготовок и т.д.

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в следующих работах:

1. Рнмшин В.И. Внедрение прогрессивных строительных конструкций - офектпвныи путь удешевления и повышения надежности сооружаемых объектов. - Общество Знание" PCwCP, Смоленск, 1086, С.12.

2. Рнмшин В.И. Исследование эффективности работы бетона в обойме в зависимости от способа армирования. - ВНИШС 7232, !.'.., 12С?, С.II.

3. Суров К..'!., Рнмшин В.И. Некоторые вопросы расчсга железобетонных станин гидропрессов большой мощности. // Актуальные проблемы строительства. Тезисы доклада Всесоюзно:": научно-техническсл конференции. Оооонен, 1907, С.25-20.

4. Суров К.Л., Римшин В.И., Зуев И.А. Экспериментальное исследование усилия обжатия эллиптических железобетонных архитравов большой мощности, создаваемое навивкой высокопрочной проволоки.// Актуальные проблемы строительства. Гезнсы доклада Всесоюзной конференции. Воронеж., 1087; С.62.

5. "арабаов Н.Л., Суров К.Л., Рнмшин В.П. Экспериментальное исследование железобетонной станины пресса усилием 20 тыс.к.1. // Социально-экономические, научно-технические проблемы перестройки строительства и подготовки инженеров-строителей. Тезисы доклада У1 областной научно-техннчоскоп конференции. Иваново, 1.V37, С. ILiu.

о. Рнмшин В.». Зксперн;.:ентальное исследование усадки закрытых массивных железобетонных элементов. // Теопсл У1 научно-прак-тическоЛ конференции молодых ученых :: специалистов. с:!1"1;Ъомзда-нии. М., 1Э80, С.20-21.

7. Бондаэенко В.И., Римшин В.!!. Определение предварительного обжатия высокопрочной проволокой железобетонных элементов в зависимости от из:,:енения радиуса кривизны поверхности. // Тезисы У1 научно-технической конференции молодых . ученых и специалистов ЩШИПромздэннн. [.!., 1988, С.21.

0. Рнмшин В.И. Совершенствование методики расчета жесткости и несущей способности силовых преднапряаенных опорных железобетонных ригеле.': прессов. //Повышение качества и эффективности при-

менения бетона и железобетонных изделий и конструкций. Научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов НИИЖБ Госстроя СССР и ЦП НТО Стройиндустрии, М. 1988. С.120-124.

9. Римшин В.И. Теоретическое обоснование расчета трехоснона-пряженного массивного эллиптического в плане железобетонного архитрава. // Разработка технологических рекомендаций по исследованию природных минеральных ресурсов при производстве строительных материалов и изделий. Министерство промышленности строительных материалов УССР, НТО Стройматериалы (Львовский филиал), 1988, С.I05-II2, 261-262.

10. Бондаренко В.М., Суров К.Л., Римшин В.И. Определение предварительного обжатия эллиптического железобетонного архитрава при навивке напряженной многослойной спиральной обоймы. // Совершенствование железобетонных конструкций для промышленного и гражданского строительства и технологии их изготовления на Среднем Урале. Тезисы доклада областной научно-практической конференции Уральского ПромстройНИИ проекта. Свердловск, 1988, С.26-27.

11. Бондаренко В.М., Суров К.Л., Римшин В.И. Экспериментальное исследование усадки эллиптических в плане массивных железобетонных элементов. Там же. С.25-26.

12. Лукьяненков Б.А., Римшин В.И. К расчету эллиптических в плане железобетонных архитравов гидропрессов. // Научно-технический прогресс в строительстве. Тезисы научно-технической конференции Брянского технологического института. Брянск, 1989, С.28.

13. Браиловский М.И., Зак М.Л., Римшин В.И. Метод расчета овальных станин железобетонного пресса Пй-2000. // Бюллетень строительной техники Р 12. М. Стройиздат, 1989, С.37.

14. Нурмагамбетов Е.К., Римшин В.И. Методика определения напряжений магнитоупругими датчиками типа Ц-24-500 в трехосно-на-пряженных железобетонных конструкциях. // Бюллетень строительной техники № 4. М. Стройизд., 1990, С.II.