автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка и исследование ... из прокатных профилей с бетонными поясами из двутавров

госстрой ссср

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ 11АУЧНО-НССЛЕДОВАТЕДЬСКИ11 И ПРОЕКТНО-ЗКСТЕР^.ЕНТАЛЫМ

институт комплексных проблегл строительных, конструкций

И СООРУЖЕНИИ имени В.А.КУЧЕРЕНКО (ШКИСК ил. КУЧЕРЕНКО)

На правах р>

АНОХИН Павел Викторович

УДК 624.042.072.23 (043.3)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДСВАН' ем ИЗ ПРОКАТНЫХ ПРОФИЛЕЙ С Ь ПОЯСАМИ ИЗ ДВУТАВРОВ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

Автореферат, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1991

'■■' ;' Работа выполнена в ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном --1

институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко Госстроя СССР (ЦБа'.СК км.Кучеренко)

КАУЧКЫЛ РУК СВОДНЕ ЛЬ - доктор технических наук,

профессор ТРОИЗ/.ОВ В.И.

ОгЩИАЛЬШЕ ОППОНЕНТи - доктор технических наук,

профессор ЛИЯ О .В.

- кандидат технических наук ПЕТЛИ Б.С.

БЕДНЕЕ ПгеДПРЮТКЕ - ЦНИИ легких металлических

конструкций (г.Москва)

Защита состоится " " 1992 г. в часов

на заседании специализированного совета Д.033.ОЗ.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при ордена Трудового Красного Знамени Центральном научно-исследовательском и проектно-эхспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им. В.А.Кучеренко Госстроя СССР по специальности 05.23.01 "Стропильные конструкции, здания и сооружения" по адресу: 10Э428, г.Москва, 2-я Институтская ул., 6.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЦНИИСК им. Кучеренко.

Автореферат разослан " ¡Я^Р^у^_1991? г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук

ЕЭРОЕЪЕВА С.А.

0К1АЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТУ

Актуальность темы. В новых экономических условиях требуется ' ускоренное развитие машшостроительного комплекса, отраслей перерабатывающей промышленности и т.д. Для строительства, рассирегтая и реконструкции предприятий этих п других отросло а наиболее эффективно и целесообразно использование легких металлических конструкций (Л.Я) комплектной поставки (КП).

Основными направлениями при разработке новых конструктивных решений Л?дК являются снижение металлоемкости, повысенпя итопени соорности и эксплуатационной надежности, сокращение трудоемкости изготовления и сроков монтаяа. С макета льно8 эффективностью обеспечить эти требования позволяет применение (ГЦ) и гнутосвар-ных профилей (ГСП), в которых наиболее полно используются прочностные свойства металла. Б то же время дефицит П1, ГСП делает их труднодоступными для заводов-изготовителей ЛУК. Это в свою очередь определяет необходимость использования в нових конструктивных решениях ЛМК шименее дефицитного сокращенного сортамента ю горячекатанныЗ профиль.

В 198В году ЦНЖСХ им. Кучеренко совместно с Донецким отделом ШЗСШК гачали разработку конструкций покрытия зданий производственного назначения с применением стропильных и подстропильных ферм из прокатных профилей (неразрезные верхние пояса - двутавр, остальные элементы из равнополочнкх уголков), получившей в дальнейшем название "Житомир". Предполагалось создать современную эффективную конструкцию оез суцестзенного изменения технологии Еитомирского завода ограэдэюсдас конструкция (ЕЗОК), хорошо отработанной на производстве структурных блоков покрытия типа "Москва".

Покрытие 77S)<i "¿ктэдар" со';:;г:с тел из'TJifX'Mvr. с г.'

А

Ферм с уклоном верхнего пояса 6,7/2, которые в завис ¡и ост и от шга колонн, нагрузки опираются или непосредственно на колонны, или на подстропильные балки, фермы. Еесткость покрытия в продольном направлении обеспечивает профилированный настил, укладываемый непосредственно по верхним поясам стропильных ферм, а также система вертикальных связей и распорок по верхним и шаснлм поясам стропильных ферл.

Для внедрения ферм типа я2итомир" в промышленное строительство необходимо было расширить згания о их действительной работе, разработать методы расчета, обеспечивающие высокую нддех-ность как конструкций в целом, так и кх отдельннх элементов. В частности, существующая методика СНиЦ и-1с;3-81* определения устойчивости не позволяет оценить для неразрезных сжато-изогнутых двутавровых верхних поииов стропильных ферм, раскрепленных из плоскости профилированном настилом и распорками, наиболее вероятную для подобных элементов пзгибно-крутклькую <?орму потери у<

тончевости.

Целью диссертационной роботы является разработка ковструк тивных решений, методики расчета и рекомендаций по проектирова нию покрытий с использованием ферм из прокатных профилей с дву тавровыми верхними поясами на основе экспериментально-теоретт кпх исследовании кх напрягенпо-дсформированного состояния.

Научную новизну работы составляют следующие результаты, носилие на защиту:

- результаты экспериментальных исследований натурного по крутил с использованием стропильных и подстропильных ферм из прокатш:х профилей типз "Ектокир";

- методика и результаты числе шиле исследований ферм из г кзттх профилей типа "Ектокир", выполнешшх на ЭВМ в геометр;

чески нелинейной постановке, с учетом реальных гесткостей и эксцентриситетов в узлах;

- методика определения устойчивости плоской формы изгиба нерв зрезнкх двутавровых балок, раскрепленных связями и находящихся под воздействием сложного сочетания продольных и поперечных нагрузок, в упругой постановке и с учетом развития пластических депортаций;

- результаты расчетов по оценке устойчивости неразрезных двутавровых верхних поясов стропильных ферм типа "Житомир", работающих в составе покрытия;

- рекомендации по проектированию и расчету ферл из прокатных профилей.

Практическое значение и реализация. Результаты эксперимента льно-те орет ическ их исследований использованы при выпуске типового альбома ферм из прокатных профилей по экспериментальной серии 883665 КМ, разработанного ШИИСК км. Кучеренко и Донецким отделом ИНИИШК; а также в процессе серийного производства ферм типа "Житомир", начатом в январе 1991 года на Житомирском ЗСЖ Кин-монтажспецстроя УССР.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на научно-технических конференциях молодых ученых и специалистов ЦНЖЖ им. Кучеренко (г. Москва, 1990 и 1991гг).

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, оиаих выводов и списка использованной-литературы, изложена га 158 страницах машинописного текста с 48 рисунками и 12 таблицами.

С0ДЕГ£АБ2 РАБОТЫ

Во ввегегг.у.; обоснована актуальность рз с с т г. ; ~ а с- r/о Л т с ■, приведены цель и зодячи, BL-косглие нз ззеиту, у-

рактерпстика выполненной роботы.

В первой главе рассматривается существующий опит проектирования и строительства зданий из ЯК КП, определяются перспектива кх дальнейшего развития, даются детальное описание конструктивного решения ферм из прокатшх протлей типа "гитомир" и методика расчета, принятая ш предварительной стадии проектирования; значительная часть раздела посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям по устойчивости стержней раскрепленных связями.

Возникновение производства и внедрение ЛМК в СССР относится к началу 70-х годов, когда в целях индустриализация строительств правительством оыло принято ресепие об организации производства 1Ш промысленных зданий. В мировой практике широкое использование этих конструкций началось несколько ранее, в 30-е гг., и в настоящее время объем их применения весью значителен. Так, доля кх использования в США составляет в Венгрии - 30...40^ общих объемов строктельотьа здания к сооружений различного назначения.

В настоящее время рядом институтов Госстроя СССР п Мкнмон-тахспецстроя СССР разработаны системы ЛЫК и поточно-механизиро-вашше линии для их производства. В сравнительно короткие сроки созданы и внедрены в массовое производство несущие конструкции леших покрытий для одноэтажных промышленных зданий пролетам 18, 24 и 30 м: из круглых и прямоугольных труб типов "Урал" и "¡.'.олодечно", прокатных профилей "Тагил"; структурные плиты покрытия из круглых труб и прокатных профилей "Кисловодск", "Ц1Г.З!СК", "Москва"; рамные конструкции коробчатого и двутаврового селений типов "Орск" и "Канск".

С'учетом опыта накопленного в ходе создания вышеназван-

них систем покрытия, а таку.е доступности того или иного вида профиля и сукествувдэй технологии, была разработана система, по-лучивизя название "Житомир", предназначенная для применения в отапливаемых зданиях с неагрессивной или слабоагрессивной средой, возводимых в: 1-У районах по весу снегового покрития; 1-У1 райотх по скоростному шпору ветра; районах с расчетной температурой наружного воздуха мияуо 40°0 и выше; несейсмичных районах (до 7 баллов). Покрытие собирается из стропильных ферм пролетом 18, 24 и 30 м, устанавливаемых, как правило, с шагом 4 м га подстропильные фермы пролетом 12 м или подстропильные балки. Для однопролетных зданий при небольшое нагрузках допускается шаг колонн и стропильных ферм Б м. Опирание го колонны предусмотрено через гадколонники. Непосредственно по верхним поясам стропильных ферм укладывается профилированный настил, выполняющий помимо ограгдаюцих функций роль жесткого диска и обеспечивающий верхние поиса стропильных ферм от потери устойчивости в горизонтальноа плоскости. Для передачи поперечных нагрузок с нижних поясов стропильных феры на настил и неизменяемости покрытия в процессе монтажа предусмотрена система вертикальных . связей и распорок ь уровне нижних и верхних поясов, установленных с пвгом 6 ы. Распорки в уровне верхних поясов обеспечивают также уменьшение расчетной длины этих элементов при потере устойчивости по изгибно-крутильвой форме. Узлы опирания стропильных и подстропильных ферм приняты шрнирными.

Стропильные фермы разработаны двухскатными с горизонтальным нижним поясом и уклоном верхнего 6,1%, Ремтка треугольная с нисходящими опорными раскосам. Еысота ферм по осям поясов составляете опоре 1530 мм, в коньке 2330 мм для пролетов 24 и 30 м к 2130 мм для пролета 18 м. Длина иаьели 3 м. С ер мы г:;, о.с у.

и 24 м запроектированы из двух отправочных марок. Для пролета 30 м использувтси 12-ти метровке отправочные тркп тяжелкх ферм пролетом 24 к к центральная вставка с параллельная: поясом! длиной 6 м.

Подстропильные фермы разработаны с параллельными поясами. Высота ферт в ослх составляет 1750 мм, длина панели 4 м. Решетка треугольная с нисходящими опорш:.о! раскосою;.

Верхние пояса ферт запроектирована из прокатных двутавров с параллельными грош;.": полок по Г0СГ'2£02'0-83. Гаскосная ростка и нижние пояса выполгшются из прокатных равкололочнкх уголков по ГОСТ 8509-86. Бри этом используются два типа сечения: одиночны?. уголок для iihzhhx поясов .растянутых и слаСонагрукенных сжатых раскосов, составное крестовое сечение из двух уголков для схатих раскосов. Соединение элементов решетки с поясами осуществляется через фаиипки на сварке.

В узлах укрулнительно.". сборки стропильных ферм л уровне верх них поясов используются фланцевые соединения, в уровне ниг.нпх сс единения на накладках. Применяются болты нормальной точности М2С

Статический расчет ферм выполнялся по неде^ормируемой схеме как свободно-опертых конструкций с учетом жесткости узлов элеме! тов верхнего пояса и рссцентровки сходяндася в них раскосов, вс< остальное элементы полопались центрированными. При этом учитывались следующие нагрузки: равномерно-распределенные от массы кро: ли и снега, приложенные к верхним поясам; сосредоточенные тгру ки в узлах: от собственного веса покрытия, технологических коммуникаций, монорельсов и двух подвесных кранов на колее грузо-подьемностьр 32 кН по ГССТ 789С-84. При определен;:;! погонной m грузки in дермы учитывалась неразрезная схема работы профилированного нястила.

аерхние пояса стропильных ферм в соответствии со СН;Л И—23—31м рассчитывались га совместное дейстзие сжимающих усилий и изгиба гхцнх моментов из условия устойчивости в вертикальной плоскости элемента длиной га панель ¡и = 0,85, = 0,95. В горизонтальной плоскости устойчивость пояса обеспечена профилированным настилом, в то хе время существующие нормативные документы не позволяют оценить наиболее вероятную для подобных элементов изгибно-крутильнуй фор.гу потери устойчивости.

Первая попытка решения задач-,' устойчивости связанных плоских балок принадлежит и.П .Т;г.-оиенко, который исходил из предположения, что влияние связей, установленных из плоскости изгиоа, заключается в упругом сопротивлении закручиванию поперечных сечений. Ъ.В.Болотин ввел в рассмотрение третью независимую координату, соответствующую углу поворота поперечного сечения как меткого целого без учета деформаций контура. Ьопросы устойчивости связанных балок исследовались также в работах Ф.Бдейха, В.З.Власова, А.Р.Ржашщцна, Я.М. ьо^ьоп , ©.А. />/е1Исгсс^ , з.е. 2>/спь5оп. и др..В то же время обзор исследований отечественных и зарубежных ученых позволяет констатировать, что на сегодняшний день нет методики, позволяющей оценить устойчивость верхних поясов предложенных конструкций с достаточной точностью и максимальным учетом всех факторов, влияющих га их роботу.

При выполнении диссертационной работы ошш сформулированы следующие задачи:

- экспериментальные исследования напряженло-де^ор/ирсванно-го состояния стропильных и подстропильных фер-5 т^па "Ектомкр", работагвд:х в составе натурного блока покрытия;

- разработка 1/етод;:ки численного расчета га С-ЬМ в гесгятг;:-чеекк нелинейной постановке фор/ из геокзтных .глей с у*;-:т

реальных жесткостей и эксцентриситетов в узлах;

- численные исследования напряженно-деформированного состояния ферм типа "Еитомир";

- разработка методики оценки устойчивости плоской форлы изгиба нерозрезшх двутавровых балок, раскрепленных связями, в упругой постановке и с учетом развития пластических деформаций;

• - определв!ше несущей сиосоонооти верхних поясов стропильных ферм типа "Житомир";

~ разработка рекомендаций по проектированию и расчету ферм из прокатных профилей с двутавровыми верхними поясами.

Во второй главе приводятся методика и результаты экспериментальных исследований, включамдах в себя натурные испытания и численный эксперимент, выполненные для выявления действительного гапряженно-дсформированного состояния ферм из прокатных профилей типа "Житомир", определения разрушающей нагрузки в целом покрытия.

Опытный блок повторял конструкцию покрытия здания с размером в плане 24x12 м и включал четыре стропильные ферлы под расчетную погонную нагрузку 22 кЦ/м, установленные с шагом 4 м на две подстропильные фермы, рассчитанные на восприятие узловых сосредоточенных сил 260 кН. Кроме того, в блоке было три вepтикaлJ ные связи, по весть распорок по верхним и нижним поясам стропил) ных ферм, четыре надколокника. Опорами блока служили четыре жел зобетонных устоя. По верхним поясам стропильных ферм был уложен профилированный настил Н75-750-0.8 длиной 12,05 ми закреплен самонарязаккдишг болтами М6х25 в каждой волне. Соединение листов наст/л а ме.тду собой осуществлялось комбинированными заклепками Зк4, 8x8 с гагом 300 км. На полную расчетную нагрузку испытыва-лпсь подстропильные и средние стропильные фермы. Крайние строп»

ные <2ермы, изготовленные в целях унификации вденгичними средтм, являлись недогруженными и в ходе эксперимента выполняли вспомогательные функции по обеспечение пространственной жесткости блока и трехпролвтной схемы работы настила.

Б ходе испытаний измерялись с помощью тензодатчиков сопротивления с базой 20 мм относительные деформации в сечениях элементов ферм. Места расположения и количество контролируемых сечений 1н элементах были выбраны с таким расчетом, чтобы получить достоверную информацию не только по продольным усилиям, но и изгибающим моментам. Так, в верхних поясах стропильных ферм в наиболее нагруженных коньковых панелях было принято 5 сечений, на раскосах, выполненных из одиночных уголков - по три. Сечения на фермах дублировались, что позволило провести статистическую обработку и повысить достоверность результатов испытаний.

Вертикальные перемещения узлов ферм измерялись с помощью реек с ценой деления I мы. Кроме того, с'помощью прогибомеров контролировались горизонтальные смещения опор блока и узлы закручивания верхних поясов.

Симметричное нагружение конструкции осуществлялось поверх настила железобетонными шпалами и связками металла. Несимметричного нагру*ения не выполнялось, так как раскосы ферл в коньковых панелях подобраны из конструктивных соображений с существенным запасом несущей способности.

Испытания блока состояли из двух последовательных циклов: , предварительная обкатка, состоящая из четырех этапов до нагрузки Р*0,&-Рр ( Рр - расчетная нагрузка на покрытие), и основное нагружение, где удалось сделать неполных шесть этапов до Р"1,05-Рр . Инициатором разрушения покрытия послужил хрупкий разрыв нхжнего пояса одно!! из подстропильных ферм в местч прискакал £асэкки э кра£не\: узле. Б эксперименте п.:»"-сто у.;.^

сечения опорного роокоса бил использован одиночная уголок, которий по мере роста нагрузки на покрытие закручивался вокруг собственной оси. Это закручивание сопровождалось гыходом крайнего узлл-в нмйк поясе из плоскости, появлением пластических де;;ор-маций в фасонке, которые наил^-далнсь визуально по растрескиванию груатор-кп. При Р-1,С5-Рр свободная no.ua нижнего пояса подстропильной фсрм^ в пределах узла потеряла'устойчивость, что привело к перераспределению 5x1 с тяг ива ¡ох/л капрягений между полками уголка. }:зл>:ч::в подреза от свар:;;: в месте примыкания :;асонк:: в крайне;/, нижнем узле послухпло концентратором напряжений и привело к разрушению пояса.

но результатам испытаний мэг.но констатировать, что в пелом блок работал упруго. Так, остаточ-^е прогибь после первого цикла нагругг.екпя составили 1/1816 и, 1/1333 длин пролетев соответственно для стропильных и подстропильных ферм. На основном цикле нз1 ру.у.ск'л зависимость прогибов от нагрузки практически линейна, но вследствие продольного изгиба элементов решетки верткслыгые перемещения в -среднем ш 30...35^ больье, чем для ферм с центрированными узлами. Относительные прогиби при нормативной нагрузке Ри ^ С.ь-Рр составили 1/343 длины пролета для стропильных и 1/521 длины пролета для подстропильных ферм, что соответствует требовг.н:уп,!, предъявляемым нормативными документам;: к жесткости подобных конструкций. На пятом этапе при Р-С.57-Рр оыли сн> ты последние показания с измерительной аппаратуры. Стрела прогиба при этом для стропильных ферм составила ^ = 83 мм или 1/26? длины пролета.

При Р-О.ЧТ-Рр по всем контролнруе:,гпм сечениям, за исглкь ченисм всех опоршех раскосов, а тайге верхних поясов подстропиль ш;х ь ер:л в наиболее нагруженной средней панели, напряжения не щ-сгыснлп продела текучести ¿зт . Если для всех элементов эта

картина в целом является объективной, то на работе верхних поясов сказались отступления от проекта, связанные с изменением марок сталей. В растянутых опорных раскосах, выполненных из одиночных уголков, уке при в сечении у верхнего пояса га обуи:е напряжения превысили ¿V . При Р * 1.07 - ■ Рр следует о:г,вдзть, что вел полка уголка, приваренная к фасогапм, будет работать в пластической стадии. В то х:е дремя на пере свободной полки с первого .*:о этапа нагру.~.ен::я возшклп с":з.пв:::;:е напряжения, которые росли вплоть до Р-О.Ь Рр , после чего произошла ;ос с та 0 или за им на уровне 100.. .140 !,Иа.

В ходе испытании закручнзання верхних поясов ферм и смешения блока с опор зафиксировано не было.

По результатам натурах испытаний сил;*, внесены следуэтие конструктивные изменения: опорные раскосы подстрспплвгл'х ферм выполняются крестового сечения, предусмотрена установка дополнительных связей и распорок, ориентированных вдоль покрытия и соединяющее крайние узлы нижних поясов стропильных ферм.

Для детального исследования шпряхенко-деформированного состояния стропильных ферм сыл проведен численный эксперимент. Использовался стандартный вычислительный комплекс "ГА!.'.'^", основанный на методе стержневой аппроксимации и позволявд:й реализовать геометрическую нелинейность при гагозом югругг.окг.и конструкции, материал которой полагается абсолютно упругим. Установлено, что при расчете плоских ферм достаточным являются 8...12 ызгов нагругенкя и аппроксимация кагдаго элемента реызтки четырьмя стерхшмг.

При составлении расчетной схемы фер.з: пояса, раскоса моделировались системой ЕестЕо-СБЛзэнных стеретей п]яг.:оугольного сечения, оси которых проходят через центры тя~.ести глементоз. Сме-

щение стержней с гсометрпческкх осей фермы моделировались абсолютно жесткими вставками. Основной особенностью разработанной модели является то, что фасовки также представлялись в вида жестко связанных с другыли элементами прямоугольными стержнями. Изгиб-ная жесткость этих стержней в собственной плоскости фасонки принималась бесконечно большой, а из плоскости конечной величины,' определяемой из услория равнодеформированности фасонки и стержня. В расчетной модели жесткостные характеристики сечений задавались в местной системе коордишт относительно главных осей элементов, пространственная же их ориентация относительно глобальной системы координат учитывалась назначением углов чистого вращения.

Горизонтальные связи по верхним и нижним поясам, а также профилированный настил в расчетной схеме моделировались бесконечно жесткими шарнирно-подвижними опорами. Для исследования работы • крайнего узла в никнем поясе фермы и примыкающих к нему элементов в численном эксперименте рассквтривались два варианта: без и с раскреплением из плоскости его горизонтальной связью.

Было принято 12 вигов нагружения равномерно-распределенной нагрузкой, первые восемь из которых повторяли этапы нагружения в натурных испытаниях. Заключительные четыре этапа принимались равными по О.ОЬ- Р р . Таким образом, суммарная нагрузка га ферму составила l.a 'Рр .

Как и в натурном эксперименте зависимость нагрузка - прогиб носила практически линейный характер. Dpa P-D,V?*Pf соотноше шзе между вертикальными перемещениями конькового узла по обоим экспериментам составила .При P*l,2-Pp -

= III мм ели I/2I6 длины пролета.

Величина продольных усилив по данным натурных испытания оказалась на 1..Л% ниже аналогичных усилий, полученных в ходе

численного расчета. Зто объясняется влиянием профилированного настила и вертикальных сЕязей, вызывающих при неравномерной осадке смежных крайних и средних стропильных фергд перзраспределение нагрузки мегщу ними. Расхождения между данными натурного и численного экспериментов по изгибающим мэментам в целом по всем элементам не превышло 2...Ъ% и вызваны случайными факторами, имевшая место в испытаниях.

Выполненный анализ, полученных в ходе экспериментальных исследований, результатов позволяет констатировать, что для всех элементов, за исключением верхних поясов стропильных ферм, принятая на предварительной стадии проектирования' методика подбора сечений по СНиП П-23-81я является удовлетворительной. При этом обязательным является раскрепление из плоскости крайних узлов в нижних поясах стропильных ферм, так как в противном случае их горизонтальные перемещения при Р"Рр составили 3,5 см.

В численном эксперименте, кроме того, исследовалась работа элементов решетки фермы, выполненных из одиночных уголков. Установлено, что повышение изгибной жесткости фасонок в 4 раза или увеличение крутильной жесткости поясов в 6 раз практически не повлияли на значения узловых моментов в раскосах (разница до 5%).

В третьей главе приводятся методика и результаты теоретических исследований несущей способности неразрезных сжато-изогнутых двутавровых верхних поясов стропильных ферм, раскрепленных из плоскости профилированным настилом и распорками.

В качестве расчетной схемы верхних поясов принята неразрезная сжато-изогнутая двутавровая балка с гарнирами по концам, зреющая жесткие промежуточные опоры как в вертикальной с сагом 3 к (узлы примыкания раскосов), так и в горизонтальной с шагом 6 м (места присоединения распорок) плоскостях, а также непрерывную

по всей длине верхней полки жесткую связь в горизонтальном направлении, имитирующую наличие профилированного настила. В качестве внешней нагрузки на оалку учитываются только продольные напряжения, возникающие в верхнем поясе фермы.

В качестве критерия устойчивости выбран энергетический, основанный ш стационарности значений потенциальной энергии. Непо-средственшм методом решения являлся метод конечных полос позволяющий учитывать дефортацию контура сечения и определять критическую нагрузку Ркр независимо от формы потери устойчивости (изгибная, крутильная или изгибно-крутильная). В МХП исследуемый элемент разбивается только в продольном направлении на полосы длиной и ( ь -длина элемента). Ширина-полосы 0. и ее толщина I постоянны по всей длине. В исследованиях допускалось, что количество и длины пролетов полосы в обеих плоскостях могут быть различными. Для определения перемещений произвольных точек га полосе использовался принцип разделения их на две независимые друг от друга составляющие: в плоскости и из плоскости. В первом случае полоса рассматривалась в качестве стержня прямоугольного сечения й »I . , прогибы которого описываются следующим уравнением

,£б5.у-;(Ч), ш

где т. - количество пролетов в плоскости полосы; - опре-

деляемый параметр перемещения; 21 V» чу) - заданный ряд функцШ

14

удовлетворяющий граничным условиям в плоскости полосы.

В направлении из плоскости полоса принималась в качестве пластины, удовлетворяющей теории Киркгофа, перемещения точек на которой определяются из уравнения

где и. - количество пролетов из плоскости полосы;

х(*)-б ...гчС^^Л ;

5 ' | о 1 5", X - вектор обобщенных узловых парамет-

ров; Г; (х-) - балочные функции Зрмита (полиномы третьего порядка), обеспечивзющте непрерывность функций прогибов и ее первой производной при переходе от одно;-! полосы к другой; 21 У;. (.у)

I • \

заданный ряд Функций, удовлетворяющий граничим условия:.! из плоскости полосы.

»VI ^ Г\.

В исследованиях вид функций прогибов I V; (у) и I представлялся в виде уравнения вибрации неразрезкой балки, которое является ортогональным, непрсравш;м л дпффоренцлруег.гы:,! по всей длине и может достаточно эффективно описывать все типы за-гру.т.ення:

^у/^^V , (3)

где у 4 -- рг- А-■ а ) , Г-1 - изгибная жесткость; А _ плосрдь поперечного сечения; - объемный вас га те риала; - ускорение свободного падения; р - частота колебаний, й работе получено ресекие уравнения (3) для кногспролетной парнирно-опертой балки, которое для лгх5ого промежуточного пролета п?.;еет вид

У; Су;) - +

1 у» - ■ -У^ ) ' ^

где ¿^ ■ Р1 ДкЕ; ; у ¡.'> 21 - ^ ^ ; Р; - длина про-

лета \ ; А, 1 , А - коэффициенты, определяемые из усло-

вий непрерывности угла наклона и кривизна кривой прогибов на лен бой'промежуточной опоре..

Алгоритм определения критического нагружения заключается в следующем. Путем подстановки функций прогибов (I), (2) в известные выражения для потенциальной энергии деформации и работа продольных напряжений при выпучивании вычислялись элементы локальных ттриц жесткости К-g и геометрической жесткости i для каждой конечной полосы:

.^'LfJ^y^ * «i

где 3 v, Э w — соответственно энергии деформации и работы продольных напряжений.

Из локальных матриц жесткости и геометрической жесткости строились соответствующие глобальные матрицы [к] и [ S] , характеризующие энергетический потенциал всего элемента. Разрешающее матричное уравнение имеет вид:

(СЮ-Л- С*!)- (S) * 0 , (6)

где Л -собственное значение ( Ркр'^'Ро ); (6) - соот-ветствувдий Л вектор узловых перемещений.

Общий вид уравнений, описывающих энергию полосы с учетом

возможности развития пластических деформаций, имеет вид * h й

i*l VI J ( е

j dx dy + z | J [ £:(*,,,). VvJ-d*-c!y , (7)

Ос

г i- U¿(x.y) w/-dr.ciy j¿(*,ÍJ).Vyt-dx-d3 , (8)

со I-» 8 в

где f, , t- соответственно длины пролетов из и в плоскости

полосы; - продольше напряжения в полосе: при А(>,,у)<г^т

• ^ ^ т принимается у) = <от9

; Е , ^ - соответственно модуль упругости и коэффициент Пуассона.

Для реализации изложенного вике алгоритма на ЭВМ била составлена программа на языке 50РТРАН-1У. С целью ее опробирования били проведены тестовые расчеты по имеющимся в литературе данным устойчивости одно- и многопролетных двутавровых балок. Так, при разбивке на 6 пол'ос погрешность вычислений не превышает 3,7^ в запас устойчивости.

По результатам численных исследований установлено, что определяет несупую способность верхних поясов стропильных ферм потеря устойчивости элементом по изгибно-крутилыюй форме. Выявлена раннее неизвестная закономерность - повышение несущей способности при увеличении доли поперечной нагрузки ^ / О, , непосредственно приложенной к верхним поясам, в общей нагрузке на ферту О, . Эта зависимость проявляется все более ярко по мере роста ^ /[] и для абсолютно-упругого ттериала носит линейный характер. Это можно объяснить усаливающейся неравномерностью распределения напряжений по мере роста ^ • приводит ко все большему сжатию нераскрепленной нижней полки у узлов, и к обратному процессу - уменьшению сжатия этой полки в средних частях панелей пояса. В сумме преобладает уменьшение сжатия нижней полки и устойчивость' повышается. При уменьшении ¿ч в поясе все более развиваются пластические деформации и его несу еря способность падает.

Установлено, что при прочих равных условиях уст ойч::е ость пояса практически линейно зависит от степени равнокагруженности пояса по длине, которое можно определить через параметр Л/2

(где - максимальное значение продольного усилия; -

продольное усилие в панели следующей за панелью с усилием А^сд), Б то г.е время при /^т«, < о Л несущая спосооность элемента практически больше не зависит от изменения •

В исследованиях рассматривалось влияние шга распорок на несуцую способность пояса с длиной панели t . В качестве параметра, характеризующего это влияние, принято у?,/А^. , где , • ?ак> по "ЗР6 уменьшения устой-

чивость элемента понижается, а при ^ „ < 90 и больше практически не зависит от изменений . Установ-

лено, что в разработанных конструкциях оптимальным является шг распорок (у = б м.

В четвертой главе содержатся: рекомендации по проектировав нио и расчету покрытий с использованием ферм из прокатных профи лей; предложенная в норштивше документы инженерная методика расчета сжато-изогнутых нереэрезных двутавровых верхних поясов ферл, раскрепленных из плоскости профилированным настилом и рас порками и оценка экономической эффективности разработанных кол струкций.

На основании результатов исследований ЦНЖСК ил,Кучеренко и Донецким отделом ЦНИШНХ при участии автора был разработан т; повой альбом ферм из прокатных профилей по экспериментальной С1 рии 833665 КМ.

Разработаны рекомендации по расчету ферм из прокатных про филей, которые на стадии рабочего проектирования следует произ водить численными методами ш ЭВМ в геометрически нелинейной п становке ю все сочетания нагрузок, возможные в процессе изготовления, транспортировки, ыонтаха и эксплуатации с учетом ко:-структпвных особенностей 5 ерм. Подбор ссчепг.:: элементов осуцес

вллется в соответствии с требованиями нормативных документов.

Несущую способность стато-изогнутых неразрезных двутавровых верхних поясов ферм, раскрепленных из плоскости профилированным настилом, рекомендуется определять по формуле

рактера нагрузки, характеристик материала, геометрических характеристик сечения, размеров панели и сага распорок.

По трудоемкости изготовления и монтажа разработанные покрытия с фермами из прокатных приклей не уступают наиболее гтрогрес-снвным металлическим конструкциям. По расходу стали они сопоста-вкш и в ряде случаев имеют лучше показатели (до 5%) по сразне-нию с системой типа "Молодечно". Для зданий с мостовыми кранами расход стали составляет 26,7...28,0 кг/м^, для зданий с подвесными кранами - 27,7...30,4 кг/м^ в зависимости от расчетной вертикальной нагрузки.

I. Разработан и исследован новый тип легких металлтескпх конструкций комплектной поставки, предназначенный для покрытет производственных зданий. Покрытие собирается из плоских сварных конструкций: стропильных ферм с горизонтальным нижним поясом и уклоном верхнего в 6,7? и подстропильных ферм с параллельными поясами, имеющих треугольную решетку с нисходящими растянутым! опорными раскосами и изготовленных из прокатных профилей. Неразрезные верхние пояса запроектированы из двутавров, шинке пояса и элементы решетки - из рзвнополочкых уголков. Непосредственно по верхним поясам стропильных Ферм укладывается грофглгпрогаЕг-гЛ

где

ОШШ ВЫВОДИ

настил. Б покрытии предусмотрена система верительных связей и распорок по нижним и верхним поясом стропильных ферм.

2. Результатами штуршх испытаний подтверждена надежность разработанной конструкции. Испытывался блок покрытия размером 24x12 м, включающий четыре стропильше фермы пролетом 24 м, установленные с нагом 4 м из две подстропильные фер;,щ пролетом 12 м' и колонны. Выявлена действительная картит напряженно-деформированного состояния ферм и их отдельных элементов. Установлено, что зависимость нагрузка - прогиб для ферм носит практически линейный характер, однако из-за продольного изгиба элементов решетки перемещения на 30$ выше, чем для ферм с центрированными узлами.

3. Разработана методика расчета на ЭВМ плоской сварной фермы с решеткой и нижним поясом из одиночных уголков, крепящихся в узлах одной полкой через фасонки, с использованием стандартного вычислительного комплекса, реализующего метод стержневой аппроксимации в геометрически нелинейной постановке. Бее элементы фермы (пояса, раскосы, фасонки) моделируются системой жестко-связанных стеркней прямоугольного сечения. Эксцентричные присоединения элементов в узлах моделируются жесткими вставками. Расхождения между данными натурных испытаний и результатами, полученными в ходе численного эксперимента как по напряжениям, так и по перемещениям не превышали 2...Ь%,

4. В качестве расчетной схемы верхних поясов стропильных фер принята неразрезная сжато-изогнутая двутавровая балка с шарнирами по концам, кмеетя жесткие промежуточные опоры как в вертикальной (узлы примыкания раскосов), так н в горизонтальной (места пр* соединения распорок) плоскостях, а также непрерывную по всей длине верхней полки жесткую связь в горизонтальном направлении, тпгу:-х;ей наличие премированного настила. На основе метода ко-

г.олэз в сз-:с.г.;г/.и. с зкоргетичесг.;"'. критерием разработана

методика оценки устойчивости плоской формы изгиба неразрезных двутавровых балок с любым количеством промежуточных опор в обеих плоскостях и непрерывных по длине связей, допускающая произвольное загружение в предположении абсолютно упругой раооты ттери-ала и с учетом развития пластических дефор:.ацлй. Сопоставление результатов, получаемых по разработанной методике, с известшми решениями одно- и миогопролетных неразрезных двутавровых бачок показало, что расхождения не превышали 3,7% в запас устойчивости.

5. По результатам исследований установлено, что определяющей для верхних поясов стропильных ферт является потеря устойчивости по изгибно-крутильной форме. Принятая по С'НгЛ П-23-31* методика оценки несущей способности из условия обеспечения устойчивости в вертгаальной плоскости не соответствует действительной работе этих элементов и не может гарантировать их надежность. Выявлена раннее неизвестная закономерность - повыгызние несущей способности при увеличении доли поперечной нагрузки, непосредственно приложенной к верхнем поясам, в общей нагрузке на ферму. Определены основные зависимости несущей способности поясов от размеров поперечного сечения, гибкости элемента, шага горизонтальных распорок, характеристик ьптериала, характера напряженного состояния к степени развития пластических деформаций.

6. На основании экспериментально-теоретических исследований разработаны рекомендации по проектированию и расчету ферм из прокатных профилей. Для нормативных документов предложены формулы расчета неразрезных сжато-изгибаемых двутавровых верхкет поясов фер.1, раскрепленных по всей длине профилированным настилом, с учетом изгибно-крутильной формы потери устойчивости.

7. По трудоемкости изготовления к монтажа разработанные покрытия из прокатных профилей не уступают наиболее прогрессивным металлическим конструкциям. По расходу стали окз соло ста :т в

ряде случаев имеют лучшие показатели (до Ъ%) по сравнению с системой типа "Молодечно". Для зданий с мостовыми кранами расход стали составляет 26,7...28,0 кг/м2, для зданий с подвесными кранами - 27,7...30,4 кг/м^ в зависимости от расчетной вертикальной нагрузки.

Основные положения диссертационной работы опубликованы в еле дующих работах:

I. Анохин П.В. Упругая устойчивость неразрезного верхнего пояса фермы, раскрепленного по всей длине профилированным настилом // Тр. ин-та / ЦН11ИСК им. В.А.Кучеренко. - 1Э91. - Экспериментальные и теоретические исследования строительных конструкций и материалов. - с. 64...70.

Пошшспнэ к г.ечати Ш- ^ г. Закпэ К: Тира« ШО

Отпечатано ь ГОВНлегпрамо