автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка и исследование пространственных стержневых блоков покрытия

Й ь

Г) " П;

I 0.

ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЦЕНТРАЛЬНЫЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ КОМПЛЕКСНЫХ ПРОБЛЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ И СООРУЖЕНИЙ им. В.А.КУЧЕРЕНКО (ЦНИИСК им.Кучеренко)

На правах рукописи

Арутюнян Тигран Карленович

УДК 624.014.2.046.074.(043.3)

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ СТЕРЖНЕВЫХ БЛОКОВ ПОКРЫТИЯ

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружение

Автореферат

диссертации на соисхание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1993

Работа выполнена в Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В .А.Кучеренко (ЦН1ШСК им.Кучеренхо)

Научный руководитель Официальные оппоненты

Ведушее предприятие

— доктор технических наук, профессор ТРОФИМОВ В.И.

— доктор технических наук, профессор ЛУЖИН О-В.

— кандидат технических наук, с.н.с. ЦЕТЛИН Б.С.

— МНИИП объектов культуры, отдыха, спорта и здравоохранения Москомархи-тектуры

Защита состоится

' 3 " ^М-ву^С*- 1993г. в "/4

■¿О

часов на заседании

специализированного Совета Д.033.04.01 по защите диссертаций на соискание ученой степени доктора технических наук при Ордена Трудового Красного Знамени Государственном Центральном научно-исследовательском и проектно-экспериментальном институте комплексных проблем строительных конструкций и сооружений им.В.А.Куче-ренко по специальности 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения. Адрес института: 109389, Москва, 2-я институтская ул., дом 6, ЦНИИСК С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан / " 1993г.

Ученый секретарь

специализированного Совета, ( А С.А.Воробьева

кандидат технических наук ( '

"СОМ,- Г1:::.

"ге: i

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исследования последних лет показали эффективность применения легких металлических конструкций комплектной поставки, включающих в качестве несущих конструкций блоки покрытия на прямоугольную и квадратную сетку колонн. Особенно это относится к производственным зданиям среднего, легкого и точного машиностроения, автомобильной промышленности, транспорта, парфюмерной промышленности и других отраслей, предполагающих квадратную сетку колонн и оборудованных подвесными кранами. Кроме того, требования универсальности и «гибкости» производственных зданий, возможность частой смены технологических процессов, переход от линейных технологий к «гибким», роботизация предполагает укрупнение сетки колонн и переход от системы стропильных и подстропильных ферм к блокам на квадратную сетху колонн. Конструкции в виде стержневых блоков покрытия удовлетворяют повышенным эксплуатационным требованиям (повышенные нагрузки, в том числе сосредоточенные, крановое оборудование и т.д.) и обладают выразительными архитектурно-эстетическими свойствами, что позволяет применять их не только в промышленных, но и в общественных зданиях.

В нашей стране построен ряд крупных заводов по изготовлению стальных конструкций с применением эффективных профилей и материалов. Однахо потребность в зданиях комплектной поставки из легких металлических конструкций удовлетворяется лишь на 23%. Особенно возросла потребность в таких зданиях посте разрушительного землетрясения в Армении в декабре 1988г.

За последние годы наиболее крупные исследования по разработке стержневых блоков покрытия проводятся в ЦНИИПромзданий при участки ЦНИИСК и других организаций. Основное направление развития стержневых конструкций покрытий идет по пути усовершенствования существующих конструктивных решений, выбора рациональных конструктивных систем. Выбор рациональных конструктивных систем связан с численной оценкой реальной несущей способности конструкций посредством расчета с учетом предельного состояния конструкции, а также проведением экспериментальных исследований. Это делает необходимым учет нелинейности работы конструкции — геометрической, физической и конструктивной, а также предъявляет повышенные

' требования к качеству обработки результатов экспериментальных исследований.

Исследования поведения конструкции под нагрузкой и предельных состояний последней необходимо проводить с учетом реальной деформативности покрытия, которая зависит от деформативности узловых соединений. Поэтому на первом этапе численных исследований рассчитывается фрагмент блока (фрагмент фермы, узел); далее полученные характеристики фрагмента используются при моделировании покрытия в целом.

Для определения технико-экономических показателей покрытий необходимо подобрать сечения элементов, провести их унификацию, определить массу и на ее основе — показатели стоимости и трудоемкости. Поэтому необходима разработка процедур по автоматизированному подбору сечении элементов металлических покрытий и определению технико-экономических показателей рассматриваемых конструктивных систем.

Таким образом, проблема выбора рациональных конструктивных систем и оптимизации представляет собой комплексную задачу расчета строительных конструкций, математической теории оптимизации и экономики. С этой целью необходима разработка специальных вычислительных комплексов, позволяющих исследовать предельные состояния конструкций, выявлять рациональные конструктивные системы, проводить оптимизацию последних.

Цель работы заключается в разработке и исследовании стержневых блоков покрытий с использованием системы перекрестных ферм из открытых профилей, а также разработке аппарата для исследования и разработки металлических стержневых блоков покрытия на прямоугольном и квадратном плане. Для достижения указанной цели ставятся следующие основные задачи:

1. Разработать аппарат для расчетов, численных исследований и оптимизации стержневых блоков покрытий, включающий геометрически и физически нелинейные конечные элементы стержня и пластины, процедуры по подбору сечений элементов и определению технико-экономических показателей, а также программы обработки результатов экспериментальных исследований.

2. Провести экспериментально-теоретические исследования применяемых в блоках покрытия различных типов узловых соединений, выявить особенности работы узлов и оптимальные параметры последних, дать рекомендации по расчету узлов.

3. Выбрать оптимальную геометрическую схему и параметры опытно-промышленного блоха покрытия размерами в плане 18x18м.

4. Провести численные исследования выбранной оптимальной конструктивном схемы блока при действии вертикальной статической нагрузки (с учетом реальных характеристик узловых соединений и конструктивных особенностей), а также горизонтальной и вертикальной сейсмической нагрузки.

5. Провести натурные испытания опытно-промышленного образца блока. На защиту выносятся:

• результаты экспериментально-теоретических исследований монтажных узловых соединений систем перекрестных ферм;

• результаты экспериментально-теоретических исследований опытно-промышленного образца блока покрытия с использованием систем перекрестных ферм, проведенные с учетом конструктивных особенностей и реальной податливости монтажных соединений;

• результаты численных исследований работы блоков покрытия с использованием перекрестных систем при работе на сейсмические нагрузки.

Научная новизна работы определяется разработкой новой версии вычислительного комплекса (ВК) «МАСИС+» (Машинная Автоматизированная Система Исследования Сооружений — Версия для оптимизации), включающей процедуры автоматизированного подбора сечений элементов и программы для обработки результатов тензометрирования строительных конструкции, результатами численных и экспериментальных исследований, авторским свидетельством и разработанной конструкцией сейсмостойкого блока покрытия.

Практическое значение и реализация работы:

• использование разработанной версии ВК «МАСИС+» научно-исследовательскими и проектными организациями позволит сократить объем экспериментальных исследований, выявлять рациональные конструктивные системы покрытий и проводить их оптимизационные расчеты;

• использование разработанных на базе ВК «МАСИС+» новых конструктивных решений позволит улучшить технико-экономические показатели проектных

решений производственных зданий;

• результаты численных и экспериментальных исследований разработанных конструктивных решений можно будет использовать при разработке новых типов конструкций покрытий;

• разработанный на основе экспериментально-теоретических исследований блок покрытия включен в типовой каталог и используется в строительстве. Вычислительный комплекс «МАСИС+» зарегистрирован в специализированном

фонде алгоритмов и программ опытного завода «Интеграл» и внедрен в следующих организациях : АрмНИИСА Госстроя Республики Армения, Научно-экспериментальной фирме «Комплект», Армпромпроект, НИИАСС Госстроя Украины, Ереванском политехническом институте, ЦНИИСК им.Кучеренко. Блоками покрытий, разработанными на базе ВК «МАСИС+», перекрыта обшая площадь около 80 тыс.м2. Сейсмостойкий блок покрытия использован при стро1ггельстве следующих объектов в зоне спитакского землетрясения: в покрытиях школы-интерната в г.Талик, детского сада-ксель в г.Артнк и школы в г.Кировакан.

Апробация работы. Результаты работы и отдельных ее этапов докладывались ка конференциях ЕрПИ, на секциях научно-технического совета ЦНИИСК, Научно-технического центра «Модуль» фирмы «Комплект» и АрмНИИСА за 1985—1992г.

Публикации. По материалам работы сделано 7 публикаций, авторское свидетельство, составлено 4 отчета о научно чсследовательской работе.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 226 наименований, приложений, одержит 106 страниц машинописного текста, 98 рисунков, 9 таблиц.

Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., лауреату Государственных премий, заслуженному деятелю науки и техники России, проф. В.И.Трофимову за постоянное внимание и помощь при выполнении работы и Научному консультанту, к.т.н., с.н.с. С.И.Авакесову.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выполненной работы, изложены научная новизна и вопросы, выносимые на защиту, дана краткая аннотация.

Первая глава посвящена состоянию вопроса и задачам исследования. Глава носит обзорный характер и содержит сведения о тенденциях в развитии конструктивных форм и узловых соединений стержневых блоков покрытия, а также о направленности теоретических и экспериментальных исследований и методах оптимизации.

К настоящему времени в мировой и отечественной практике накоплен большой опыт использования пространственных стержневых конструкций. В последние годы наметилась тенденция к разрежению структур, уменьшению количества «лишних» в статическом отношении стержней, перехода к нерегулярным структурам, называемым блоками покрытия. Одним из эффективных типов покрытия являются блоки с перекрестными системами из гнутосварных замкнутых профилей. Однако ГСП поставляются (за редкими исключениями) на специализированные заводы, изготовляющие фермы типа "Молодечно", в связи с чем является актуальной разработка систем перекрестных ферм из менее дефицитных прокатных профилей. Одним из важных вопросов при разработке перекрестных систем является конструкция узловых соединений. Показано, что несмотря на большое количество разработанных узловых соединений остается актуальной разработка и исследование новых типов узловых соединений систем перекрестных ферм.

Развитие стержневых конструкций покрытий идет по пути усовершенствования существующих конструктивных решений, выбора рациональных конструктивных систем. Это связано с численной и экспериментальной оценкой реальной несущей способности конструкций.в связи с чем необходима разработка вычислительных комплексов для расчета, исследования предельных состояний и оптимизации конструкций. Вычислительные комплексы должны дополняться процедурами обработки результатов экспериментальных исследований металлических конструкций, в том числе в упругоп-ластической стадии деформирования.

На основе проделанного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена разработке новой версии вычислительного комплекса «МАСИС+» дли расчета, исследования предельных состояний и оптимизации стержневых

блоков покрытия.

ВК реализует метод конечных элементов в форме метода перемещений и разработан институтами ЕрПИ, АрмНИИСА (далее НЭФ "Комплект") при участии НИИАСС (г.Киев). Основу комплекса составляют два новых конечных элемента, матрицы жесткости которых выведены в геометрически и физически нелинейной постановке — треугольный элемент пластины с изгибной жесткостью и призматический элемент стержня с произвольным сопряжением в узлах. Наличие КЭ стержня и пластины позволяет рассчитывать практически любой класс металлических конструкций. Треугольный КЭ используется для аппроксимации континуальных систем и аппроксимации узловых соединений. Результатами счета по ВК «МАСИС+» являются перемещения умов, усилия (напряжения) в элементах, а также фразы, характеризующие напряженно-деформированное состояние системы на всех шагах загружения.

В главе 2 для каждого КЭ приведены выводы матриц жесткости, правила составления исходных данных и чтения результатов счета, а также результаты расчетов с помощью ВК «МАСИС+» тестовых задач (в сопоставлении с известными точными решениями и результатами расчетов с помощью других вычислительных комплексов).

Далее призодится описание процедур по подбору сечений стержневых элементов кз имеющихся сортаментов профилей с учетом требований СНиП 11-23-81° и конструктивных ограничений. Процедуры позволяют проводить оптимизационные расчеты стерх;невых покрытий.

Для экспериментального исследования несущей способности металлических конструкций комплекс дополнен программами обработки результатов экспериментальных исследований. Программы предназначены для обработки результатов тензометриро-ваник (одиночные датчики, розетки тензодатчиков для анализа плоского напряженного состояния, сечения с датчиками с определением действующих в сечении усилий) как в упругой, так и упругопластическок стадии деформирования.

В третьей главе приведены результаты экспериментально-теоретических исследований особенностей работы узловых соединений перекрестных ферм. Численные исследования проводились параллельно с экспериментальными. Экспериментальные исследования узлов проводились совместно институтами ЦНИИСК, ЦНИИПромзданий,

АрмНИИСА (далее НЭФ «Комплект»). Автором при проведении испытаний узлов проводилась обработка результатов тензометрирования узловых соединений и информационно-программное обеспечение эксперимента.

Проведенные численные исследования и сопоставление результатов последних с результатами экспериментальных исследований натурных образцов узловых соединений преследовали следующие цели: найти распределение деформаций и напряжений в пластинчатых элементах узлов; определить влияние на работу ухта линейных размеров и толщин элементов; определить различия в работе узлов на сжатие и растяжение; выявить влияние начальных несовершенств на работу узла; дать рекомендации по выбору оптимальных соотношений толщин соединительных элементов при действии сжимающих и растягивающих сил; определить реальные жесткосгные характеристики узловых соединений для использования их при исследовании блоков покрытая.

Было выбрано два типа узловых соединений, далее используемых з блоках покрытия:

• узел пересечения поясов систем перекрестных ферм из гнутосварных замкнутых профилей с гнутыми фасонками и диафрагмами жесткости;

• узел пересечения поясов систем перекрестных ферм из прокатных профилей с уголковыми фасонками и листовыми накладками.

Расчетные схемы узловых соединений принимались в соответствии с натурными образцами для испытаний. Элементы узловых соединений аппроксимировались треугольными конечными элементами. Расчетная схема узла фактически состоит из четырех отдельных отправочных марок, хоторые соединяются друг с другом в местах постановки болтов. Отправочные марки стыкуются между собой в местах болтовых соединений. Жесткость болтов в процессе исследований варьировалась. Узловые соединения рассчитывались в геометрически и физически нелинейной постановке на несколько этапов загружения. Задачи для численных исследований разделялись на две группы. Первая группа полностью повторяла программу эксперимента (толщины элементов, соотношения сил, история нагружения). Задачи второй группы дополняли программу исследований и должны были выявить: влияние начальных несовершенств кг работу узла; влияние соотношения толщин соединительных элементов на работ;.' узла, выбор рацнональ-

ных соотношений толщин соединительных элементов при работе на сжатие к растяжение; влияние соотношений действующих в ортогональных направлениях поясных сил на работу узла.

В результате расчета была получена следующая информация: перемещения (линейные и угловые) всех точек узла на всех этапах загружения для всех рассчитанных образцов; для каждого конечного элемента — напряжения и усилия б центре тяжести элемента в виде мембранных напряжений и усилий МХ, МУ, МХУ; значения главных напряжений в центре тяжести конечных элементов и их ориентация; фразы о состоянии материала в элементах.

Опытные образцы в натуральную величину повторяли конструкцию узловых соединений. Образцы испытывали на действие в ортогональных направлениях растягивающих и сжимающих сил, что отражает работу узлов соответственно нижних и верхних поясов перекрестных систем. Во время испытаний измеряли перемещения внутриузлово-го контура вдоль направлений действия сил и относительные деформации элементов узлов. Перемещения замеряла механическими индикаторами, расположенными в двух уровнях по высоте, а относительные деформации — тензорезисторами, подключенными к 100 канальной электронной информационно-измерительной системе СИИТ-3.

Численные исследования проводились как без учета реальной жесткости болтового соединения (примыкание марок посредством шарниров), так и с учетом (включение в расчетную схему болтов с шарнирами и жестким примыканием и вариацией жесткости). Исследования показали, что неучет реальной жесткости болтовых соединений приводил к значительной разнице экспериментальных и теоретических значений перемещений. Образцы узлов на гнутых фланцах в пределах расчетной нагрузки работали практически линейно. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических значений перемещений показало удовлетворительное совпадение. Максимальная разница в линей/

ной области работы не превысила 8%, в нелинейной — 15%. Анализ работы сжатых узлов показал, что податливость болтовых соединений не влияла на деформативность узла в целом. Нелинейность в работе ума определялась выпучиванием диафрагмы жесткости или стенки профиля, что согласуется с результатами расчета.

Б опытных образцах узловых соединений на уголковых фасонкгх с листовыми

накладками перемещения внутриузлового контура являются интегрированным критерием дефсрмативности (податливости), т.к. включают в себя деформации: сдвигов, связанных с разностью диаметра отверстий и диаметра болтов; смятия по контуру отверстий; удлинения (укорочения) уголковых фасо.чок и наклздок на участках между болтами и вблизи ослабленных сечений; перекоса и изгиба болтов соответственно в односрезном и дзухсрезном соединениях; среза болтов.

Анализ экспериментально-теоретических графиков зависимости «нагрузка—перемещения» показал, что экспериментальные диаграммы не содержат четко выраженных порогов линейных и нелинейных этапов работы узлезых соединений под нг!рузкой. Это, очевидно, связано со сдвиговыми деформацкяш1 болтовых соединений, в результате которых остаточные перемещения внутриузловогс контура посте повторных нагруженнй соответствовали разнице диаметра отверстий и диаметра болтов. Количественную оценку податливости (деформативности) опытных образцов проводили путем сравнения с деформациями профиля поясного элемента (условное «расчетное» удлинение) и с результатами численных исследований. Качественная картина деформатавносга узлов, полученная расчетом по ЗК «МАСИС+» с учетом реальной жесткости болтоисго соединения хорошо хсррелировалась с экспериментальными данннми. Значительна?, количественная разница (10% при нагрузках, близких к расчетным и до 50% при предельных нагрузках) очевидно, объясняется дефехтами изготовления и сборки, л, как следствие, высоким уровнем деформатнзности болтогого соединения; учет этих факторов в расчетной схеме представляется практически невозможным.

Полученный в результате численных исследований характер распределения напряжений полностью подтвердился в процессе обработай данных тензометокрования узлов. Качественная хартипа совпадала полностью, значения напряжений отличались на 5...10% при расчетных нагрузках и на 9...16% при предельных нагрузках.

Четвертая глава посвящена экспериментально-теоретическим исследованиям конструкций покрытий с использованием перекрестных систем.

Описанный выше В К был использован для разработки и исследования новых конструктивных решений блоков покрытия с использованием систем перекрестных ферм из прокатных профилей. Рассматривались блохи размерами в плане 18x18, 24x24 к

30x30м, включающие консоли. Процесс разработки и исследования блоков строится по следующей схеме: выбор оптимальной геометрической схемь! блока и оптимизация параметров; численные исследования назначенной оптимальной конструктивной схемы; при этом проводятся расчеты на вертикальную статическую нагрузку (в том числе с учетом конструктивных особенностей блока), расчеты на горизонтальную и вертикальную сейсмическую нагрузку, а также расчет блока под разрушающие нагрузки; натурное испытание опытно-промышленного образца блока покрытия.

В качестве объекта исследования был выбран опытно-промышленный образец блока покрытия размерами в плане 18x18м (Рис. 1). Блок покрытия был разработан по заданию института Армгоспроект для использования в типовых проектах детских садов и школ, строящихся в зоне бедствия в Армении. Конфигурация блока позволяет также использовать его в производственных зданиях (мастерские, производства легкой промышленности, электроники, складские помещения). Очевидно, при размерах в плане 18x18м перекрестная система может оказаться не самой рациональной; в данном случае блок рассматривается как крупномасштабная модель покрытий больших размеров, на которой прорабатываются вопроса, связанные с разработкой и исследованием подобных систем.

За исходные данные при назначении конструктивной схемы блока были приняты размеры перекрываемого плана (18x18м) ирасстояние между колоннами (12x12м). Шаг ферм в обоих направлениях был принят бм — как максимально возможный для данного плана. В покрытии блока предполагалось использовать профнастил, исходя из чего в конструкцию блока введены прогоны — по контуру и в направлении, перпендикулярном направлению укладки профнастила; наибольшая перекрываемая ячейка таким образом состав!иа Зхбм. Фермы стыкуются друг с другом в одном уровне без расцентровки. Заводские соединения стержневых элементов отправочных марок выполнены в виде сварных бесфасоночных узлов (по типу ферм «Тагил», с бесфасоночнымк поясами из двутавров и решеткой из одиночных уголков). Расчетная нагрузка на блок принималась 2.7 кН/м2.

К неизвестным оптимизации относились конфигурация решетки и конструктивное оформление консольных участков, строительный коэффициент массы, высота блока,

ф ф

,—

о о

о о

о о

гО го

о

о

о

О го

о

о

ш о

о

о

го

о

о

о

о г";

о

о

о о

о

о

го

о о

о с

о о

ГО го

__.

с;

/77

Ф

П1

Ф Ф

с

-О

42) 41)

С

43)

I

/

[Ь*

Л

:1500[1500 1500[1500[1500[1500 1500^15001,1500|,150:1.1500|,1500

: зооо 6000 6000 3000

18000

Рис. 1. Монтажная схема блока покрытия размерами в гизне 18x18 м. 01, Ф2 — фермы; П1...ПЗ — прогоны; Н — профилированный настил; К— колонны

количество типоразмеров сечений стержней. Оптимизационная задача блока решалась в несколько этапов. На первом этапе определялись параметры строительного коэффициента массы, равного отношению массы основных и вспомогательных элементов конструкции к массе основных элементов; на втором этапе оптимизировались конфигурация решетки и конструктивное оформление консольных участков — параллельно с высотой ферм. На заключительном этапе варьировалось количество типоразмеров элементов ферм. Оптимизация блока покрытия выполнялась с помощью ВК «МАСИО». Выбранная оптимальная схема блока покрытия использовалась далее в численных исследованиях.

Для определения влияния податливости монтажных узловых соединений на де-форматизность блока в целом, последний был численно исследован с учетом полученных в эксперименте действительных жесткостных характеристик узлов с помощью ВК «МА-СИС+». В расчетную схему блока в местах монтажных сопряжений ферм вводились узловые крестовые вставки длиной в размер внутриузлозого контура.натурного стыка. Исходя из того, что полученные в эксперименте графики зависимости «нагрузка—перемещение внутрпузлового контура» имеют нелинейный характер, жесткость узловых вставок определялась следующим образом: геометрические размеры сечения вставки брались равными размерам поясов ферм; полученные ранее в экспериментальных исследованиях узлов графики зависимости «нагрузка—перемещение» пересчитывались и задавались элементам вставок в виде диаграмм «щ.лряжение—относительное удлинение».

Расчеты с учетом податливости монтажных узлов под действием расчетной нагрузки показали, что на стадии инженерных расчетов блока податливость узлов можно не учитывать, увеличение прогибов блока можно учесть введением поправочного коэффициента 1.06___1.10. Однако для определения действительной несушей способности

блока при отыскании рациональных параметров необходимы расчеты с превышением расчетной нагрузки. При этой нелинейный расчет с учетом реальных характеристик узлов показал существенное влияние жесткости последних на поведение конструкции при увеличении нагрузки вплоть до разрушающей. Установлено, что прогибы по верхним поясам увеличились на 13.5... 18.4%, по нижним — на 13.3... 17.5%, усилия изменились в поясах ка 2.3...9.6%, в опорных раскосах — на 8.3—12.1%, ? остальных раскосах и

стойках — на 8.4...13.2%.

Следующий раздел численных исследований был поссяшен изучению влияния эксцентриситетов примыкания раскосов к поясам на работу блока — как в пределах расчетной нагрузки, так и при ее превышении вплоть до разрушающей. Была составлена расчетная схема всего блока, в которой учитывались реальные конструктивные эксцентриситеты. Значения эксцентриситетов определялись с учетом реально подобранных профилей блока и конструктивных решении узлов. Блок рассчитывался на вертикальную статическую нагрузку — с превышением расчетной нагрузки вплоть до разрушающей. Учет эксцентриситетов при расчетной нагрузке не вносит сколько нибудь значительных корректив в значения продольных усилий и изгибающих моментов. В ряде раскосов наблюдается смена знака момента, однако учет эксцентриситетов не отражается на подборе сечений элементов. Прогибы блока меняются не более чем на 0.5...2.3%. Однако при превышения расчетных нагрузок наблюдается значительная разнила в усилиях в перемещениях вариантов с учетом и без учета расцентровок. Так, полученная в результате расчета по ВК «МАСКС+» «разрушающая» нагрузка отличается для варианта с расцентровками на 31 % в большую сторону.

Учитывая то, что подавляющее болыскнство строительных районов Армении находится в 9-и балльной сейсмической зоне, была проведена сери?, численных исследований блока при воздействии сейсмических нагрузок. Расчет зданий с учетом сейсмических воздействий производится на условные статические нагрузки, определяемые согласно глазе СНиП 11-7-81 «Строительство в сейсмических районах». При расчете структурных конструкций расчетные модели покрытий рекомендуется принимать в виде дискретных систем с массами, расположенными в узлах блока в уровне верхнего к нижнего поясов. Была выбрала расчетная схема, Еклгочающая 49 динамических грузов, расположенных в узлах верхнего пояса. Расчетная схема принималась з полном соответствии с разработанным опытным образцом, учитывала эксцентриситеты и другие конструктивные особенности При прозеденки численных исследований блока с учетом сейсмических воздействий ставились следующие задачи: определить периоды н формы собственных колебаний блока; выявить распределение перемещений и усилий б элементах блока; оценить влияние конструктивных особенностей на ргботу блока под действием сейсмк-

чесхих нагрузок. Все расчеты проводились с учетом первых 7-и форм колебаний. Серия расчетов с учетом реальной податлизости монтажных стыков показала, что при учете реальных жесткостей узловых соединений периоды колебаний блока по низшим формам и усилия в элементах изменяются при разных уровнях податливости от 5 до 18%. Для определения усилий в колоннах от горизонтального сейсмического воздействия были проведены расчеты всего блока, б которых сейсмическая нагрузка собиралась и прикладывалась в верхних узлах колонн (всего 4 груза, учитывается 4 формы колебаний).

Результаты численных исследований сопоставлялись с результатами экспериментальных исследований натурного образца блока покрытия. Основными вопросами экспериментальных исследований являлись: определение несушей способности и дефор-ыатизности блока с перекрестными фермами; выявление напряженно-деформированного состояния блока под нагрузкой; экспериментальная проверка работы монтажных соединений в составе блока; оценха влияния жесткостей узловых соединений на несущую способность и деформатианость перекрестной системы; работа верхних поясов под бес-прогокнон кровлей; оценка погрешности разработанных конечных элементов. Параллельно прорабатывались технологические вопросы.

На основе теоретических исследований и их проектных разработок был подготовлен альбом чертежей блока покрытия размерами в плане 18х 18м. Блок представлял собой систему ортогональных перекрестных плоских ферм с двутавровыми поясами и решеткой из одиночных уголкос; фермы стыкуются в местах монтажных узлов в одном уровне без расцентрозки (рис. 1). Блок собирался из отправочных марок длиной 6м и Зм. Б одном из ортогональных направлений, а также по контуру блока устанавливались дополнительные прогоны из ] 16. Разработано две медификадии блока покрытия: с использованием узлов ферм из гнутосварных профилей на гнутых фланцах с диафрагмами жесткости и узлез с уголковыми фасонкамн и листовыми накладками, результата экспериментально-теоретических исследований которых приведены я главе 3. Отметим, что конструкция узла на гнутых фланцах позволяет использовать его как в фермах из ГСП, так и в фермах из прокатных профилей.

Распределена массы элементов конструкций и доля а % в обшей массе следующее: стержневые элементу — 4432т (29.51%); листовые детали — 1215т (8.09%);

прогоны — 2133т (14.20%); настил — 3207т (21.25%); колонны — 4032т (26.85%). Общая масса конструкций на ячейку 18x18м составила 15019т. Отметим, что масса колонн определялась с учетом базы и анкерных болтов.

Проводилось четыре ступенчатых нагружения с разгрузкой. Испытание завершили нагрузкой, превышающей расчетную на 35%. Нагрузка каждой ступени в пределах расчетной нагрузки составляла примерно 20% расчетной. При нагружении сверх расчетной нагрузки использовались переменные ступени, не превышающие 10% расчетной нагрузки. На каждой ступени нагружения конструкция выдерживалась 15 минут для стабилизации перемещений и усилий, после чего проводилось освидетельствование конструкции с целью выявления возможных изменений. При нагружении замерялись вертикальные перемещения узлов верхних и нижних поясов блока. Для этого в 38 узлах блока подвешивались рейки с миллиметровой шкалой. Показания с реек брались при помощи прецизионного ниЕелира.

Полные прогибы перекрестных ферм с учетом предшествующих этапов нагружения (в том числе остаточных прогибов) на всех этапах загружения имели удовлетворительное совпадение со значениями прогибов, найденными расчетом по ВК *МА-СИС+» с учетом реальной жесткости узловых сопряжений. Полные прогибы ферм в середине пролета е уровне верхних поясов составили 103... 108% расчетных, в уровне нижних поясов — в среднем 104...112%. Разшща в соотношении экспериментальных прогибов к расчетным в верхнем и нижнем поясе очевидно объясняется разгружающим влиянием на блок прогонов и профилированного настила. При этом упругие составляющие полных прогибоз в уровне нижних поясов практически совпали с расчетными — разница не превысила 2...4%. Неравномерность в прогибах находилась в пределах погрешности натурного эксперимента и в пределах расчетной нагрузки не превысила 6—8 %.

Как показали результаты испытания натурного блока, экспериментальные прогибы на всех этапах нагружения нарастали практически линейно. При превышении расчетной нагрузки более чем на 20% приращения прогибов происходили с незначительным опережением роста нагрузки. Это относится как к упругим составляющим измеренных полных прогибов, так и к остаточным прогибам. Нелинейность в работе стала наблюдаться благодаря изгибу из плоскости опорного раскоса в ферме по оси «Г» к

пр'.иегсащего узла верхнего пояса. Отметим, что блок вплоть до достижения расчетной нагрузки работал упруго, исходя из чего остаточные прогибы связаны не с неупругимн деформациями элементов блока, а обусловлены другими причинами.

Максимальные по абсолютной величине прогибы под действием равномерно-распределенной нагрузки были зафиксированы з центральном узле блока как в уропне верхних поясов, тах и в уровне нижних. Расчепю-теоретическиг значения прогибов были найдены с учетом реальных жесткостей монтажных стыков — с использованием методики с узловыми зставхами в расчетной схеме. Неучет реальных жестхостей узлов приводил х занижению прогибов до 9% б упругой стадии у до 42% в ксупругой стадии деформирования.

При превышении расчетной нагрузки до 1.3? . в работе опытного блока стала

рс* *

наблюдаться нелинейность. При этом в блоке между осями «Д—Ж», «3—5» образовалась слаба«:зона, отличающаяся большей деформагавлостью, в то же время в остальных зонах наблюдалось незначительное сдерживание роста перемещений. Несимметричность «слабой зоны» объясняется тем, что в равномерно нагруженной системе симметрично расположенные стержни тем не менее не находятся в разных условиях (несовершенства конструкции, неравномерность приложения нагрузки). В численных исследованиях «слабые зеныь образовались симметрично, так как расчетная схема язляется симметричной и изгиб симметрично расположенных элементов решетки происходил идентично.

Отметим, что различие экспериментальных и расчетно-теоретических прогибов при о грузке 1.3д составило 12%. Далее «разрушение» блока проводилось на ЭВМ с помодаю ВК «МАСИС+». Пои превышении нагрузки до 1.35? стало наблюдаться

* /и;

аеяикеилое нарастание перемещений узлов. При достижения нагрузки 1.45 $ в ряде стержней появились сообщения »изменение знаха перемещения» и «нулевой элемент на диагонали матрицы жесткости», что можно считать «разрушением» расчетной схемы. «Разрушение» расчетной схемы сопровождалось при этом резким нарастанием прогибов. Численные исследования с помощью ВК «МЛСИО» показа.-.;:. что неучет в расчетной схеме сокструктиЕнях особенностей (эксцентриситеты, реальна« жесткость узлов) приводит к завышению »разрушающей-! нагрузки на 45—56%.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана и реализована в новой версии вычислительного комплекса «МА-СИС+» методика по определению действительной несущей способности и оптимизации металлических стержневых блоков покрытия. Основу комплекса составляют двз новых конечных элемента, матрицы жесткости которых выведены в геометрически и физически нелинейной постановке — треугольный элемент пластины с изгибной жесткостью для аппроксимации узловых соединений и призматический стержневой элемент.

2. С целью проведения оптимизационных расчетов, а также численного и экспериментального исследования несущей способности металлических конструкций ВК «МАСИС+» дополнен процедурами по подбору сечений элементов и процедурами обработки результатов экспериментальных исследований.

3. Сопоставление результатов расчетов по ВК «МАСИС-н тестовых задач с известными решениями и с результатами экспериментальных исследований натурных образцов элементов металлических конструкций показало достаточно хорошую сходимость, что позволило использовать комплекс для разработки новых конструктивных решений стержневых блоков покрытия.

4. Численные исследования работы узлов с помощью ВК «МАСИС+», сопоставление их с результатами испытаний натурных узловых соединений систем перекрестных ферм позволили сделать следующие выводы:

Для узлов на гнутых фланцах с диафрагмами жесткости:

— Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований работы узловых соединений показало удовлетворительное совпадение. Качественная картина работы узлов совпадала полностью. Экспериментальные перемещения и напряжения превышали теоретические не более чем на 15%.

— При работе на растяжение:

— наиболее неблагоприятным является приложение равных по величине сил в ортогональных направлениях;

— соотношение толщин диафрагмы жесткости и гнутых соединительных фасонок рекомендуется принимать примерно 1:2. Для обеспечения равнопрочностл узлового соединения длину врезки диафрагмы следует принимать равной 1.5 высоты

сечения;

— узловые соединения до достижения расчетной нагрузхи работали практически упруго. Нелинейная область работы определялась податливостью болтовых соединений и толщиной соединительных элементов. Неучет реальной жесткости болтовых соединений приводил к значительной разнице экспериментальных и теоретических значений перемещений;

— начальные значения эксцентриситетов приложения внешних сил с ростом нагрузки уменьшались и стремились к нулю, что приводило к выравниванию продольных напряжений в сечениях гнутосварного профиля,.

— При работе на сжатие:

— так же, как и при работе на растяжение, наиболее неблагоприятным является приложение равных по величине сил в ортогональных направлениях;

— диафрагма жесткости и гнутые соединительные фасонки оказались примерло равнонагруженными, исходя из чего их толщины рекомендуется принимать одинаковыми; при этом следует учесть возможность выпучивания диафрагмы жесткости;

— узловые соединения работали практически упруго до нагрузки <=< 1.25//^^. Де-формативность болтов не влияла на деформативность узлов в целом. Нелинейная область работы определялась выпучиванием диафрагмы жесткости или стенки гнутое варкого профиля;

— начальные значения эксцентриситетов приложения внешних сил с ростом нагрузки менялись незначительно, что приводило к неравномерному распределению продольных напряжений в стенках профиля.

Для узлов на уголковых фасонхах с листовыми накладками:

— Сопоставление результатов экспериментальных л теоретических исследований работы узловых соединений показоло удозлетворитсльное совпадение. Качественная картина работа узлок совпадает полностью. Максимальная разница в усилиях при разрушающих нагрузках составила 16%, в перемещениях — до 50 %. Большая разница в перемещениях объясняется некачественным изготовлением и сборкой опытных образцов;

— Опытные образцы не имели четко выраженных порогов линейкой и нелинейной области работы. Неучет реальной жесткости болтовых соединений в расчетной схеме приводил к значительной разнице экспериментальных и теоретических значений перемещений.

— Ив сжатых, и в растянутых узлах более предпочтительным является соединение с двусторонними накладками. Анализ проведенных на базе ВК «МАСИС+» численных исследований позвочил рекомендовать оптимальное соотношение толщин уголкового профиля а листовых накладок для различных значений усилий в поясных элементах.

5. Разработано новое конструктивное решение металлического стержневого блока покрытия размерами в плане 18x18м. Проведение ксследозаняг по выбору оптимальной конструктивной схемы и параметров блока показали, что оптимальный шаг ферм составляет бм, высота 1.5к, количество типоразмеров сечений стержней — б...5пгг. В процессе оптимизации были также выявлены наиболее рациональная конфигурация решетки и оформление консольных участков. Конструкция блока покрытия компонуется из ДЕух типоразмеров ферм.

6. Проведенные с учетом результатов экспериментально-теоретических исследований фрагментов блока, полученных на первом этапе численные исследования всего блока при работе под вертикальную статическую нагрузку с учетом конструктивных особенностей показали, что при работе на расчетную нагрузку податливость монтажных

. стыков мало сказывается на работе блока. Прогибы по верхним поясам увеличились на 4.б...5.7%, по нижним поясам — на 4.5...5.6% ; усилия в поясах изменились в пределах 0.2...4.3%, в раскосах на 0.3...5.1%. В нелинейлоб стадии деформирования блока прогибы верхнего пояса увеличились на 13.5... 18.4%, по нижним — на 13.3...'7.5%; усилаз в поясах изменились на 2.3...9.6%, в опорных раскосах — на 8.4...13.2% в большую сторопу.

7. Расчеты блока с учетом реальных конструктивных эксцентриситетов показали, что учет последних не вносит существенных изменений в значения перемещений и усилий при работе блока в пределах расчетной нагрузки; максимальное увеличение прогибов составило 2.3%. При превышении нагрузки на блок сверх расчетной наблюда-

лась значительная разница в перемещениях и усилиях для вариантов без учета и с учетом конструктивных рашентровок. «Разрушающая» нагрузка отличается для варианта без расцентровок на 31 % в большую сторону.

8. Исследования работы блока при нагрузках, близких к разрушающим показали, что неучет реальной жесткости узловых соединений и конструктивных особенностей в отдельных стуча я х приводит к превышению «разрушающей» нагрузки на 34—56%; таким образом, расчеты по определению действительной несущей способности блоков покрытия необходимо проводить с учетом реальных жесткостей узловых соединений и конструктивных особенностей.

9. Серая численных исследовании работы блока при действии горизонтальных и вертикальных сейсмических нагрузок показала, что для блоков, возводимых в сейсмических районах, необходимо производить динамические расчеты с учетом первых четырех форм колебаний; учет более высоких форм колебаний практически не сказывается на распределении усилий. Расчетные схемы блоков должны приниматься как для систем со многими степенями свободы; динамические массы следует располагать в узлах поясов ферм блока. При динамических расчетах необходимо учитывать реальные жесткости узловых соединений; неучет реальных жесткостей занижает усилия в элементах блока от 5 до 18%. Для определения усилий в холоннах блоков от горизонтальной сейсмической нагрузки рекомендуется располагать динамические грузы в узлах сопряжения блока с колоннами.

10. Результаты экспериментальных исследований опытно-промышленного образца блока покрытия размерами в гцаке 18x18м показали достаточную надежность его в работе. Блок может применяться в покрытиях зданий при расчетной нагрузке 2.8кН/м~. Под нормативной нагрузкой блок имел запас по деформатнзности, примерно равный 42%. Сопоставление результатов экспериментальных и теоретических исследований натурного образца блока показало полное качественное и удовлетворительное количественное совпадение. Экспериментальные перемещения при расчетной нагрузке отличались от теоретических не более чем на 6—8 % в большую сторону. Как при численных исследованиях, так и при натурном испытании прогибы узлов конструкции блока нарастали практически линейно до нагрузки <?= 1.3? . При этом экспериментальные прогибы

превышали теоретические не более чем на 12%.

11. Разработанная конструкция блока включена в типовой проект школ и детских

садов-ясель, строящихся в Армении. В настоящее время блок использован при строительстве трех эксплуатирующихся объектов.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. АРУТЮНЯН Т.К. Вычислительный комплекс для расчета, исследования и оптимизации строительных конструкций, «Промышленность, строительство и архитектура Армении» №4, 1988, Ереван, с.19, Зс.

2. АРУТЮНЯН Т.К. Оптимизация параметров блока покрытия с решеткой из гибких стержней. Тезисы школы-семинара «Качество и надежность строительных материалов и конструкций в сейсмостойком строительстве». Грузия, Кобулети, 1986, с.9, 1с.

3. АРУТЮНЯН Т.К. Оптимизация параметров и численные исследования блока покрытая с решеткой из гибких стержней. «Строительные конструкции». Межвузовский тематический сборник научных трудов по строительству и архитектуре ЕрПИ. Ереван, 1987, с.7, 8с.

4. АРУТЮНЯН Т.К., БАЛОЯН A.B. Алгоритм обработки результатов экспериментальных исследований пространственных металлических конструкций на ЭВМ. «Металлические конструкции». Межвузовский тематический сборник научных трудов по строительству и архитектуре ЕрПИ. Ереван, 1987, с.20, 7с.

5. АВАНЕСОВ С.И., АКОПЯН A.A., МАРУТЯН A.C., АРУТЮНЯН Т.К. Пространственный блок покрытия с решеткой из гибких стержней. Тезисы II Закавказской конференции "Пространственные конструкции покрытий зданий и сооружений (исследование, проектирование, изготовление и возведение)"/ Тбилиси, 1984, с.237, Зс.

6. АВАНЕСОВ С.И.. АКОПЯН A.A., МАРУТЯК A.C., АРУТЮНЯН Т.К. Пространственный металлический стержневой блок покрытия производственных зданий. Информационный листок. "Строительство и архитектура" Сер. 67.11.35. АрмНИ-ИНТИ, Ереван, 1955, 2с.

7. АВАНЕСОВ С.И.. АРУТЮНЯН Т.К., АКОПЯН A.A. Стальной пространственный решетчатый блок покрытия сейсмостойких зданий. Экспресс-инфоркзция.

8.

9.

10.

11.

12.

Строительство и архитектура. Сер. 14. Строительство в особых условиях. Сейсмостойкое строительство. М.,1985, вып. 8, с.З, Sc.

АВАНЕСОВ С.И., АКОПЯН A.A., ЧИХАЧЕВ Т.В., АРУТЮНЯН Т.К., БАБАЯН У.В. Узел соединения продольной и поперечной ферм. Авторское свидетельство СССР №1281652. Приоритет 30 апреля 1985г., Зс.

Разработать и испытать опытно-промышленный образец блока покрытия на сетку колонн 18x12 и 21x12м. Отчет о НИР АрмНИИСАза 1984г. С.И.Аванесов, А.С.Ма-рутян, Т.К.Арутюнян, А.А.Ахопян. №ГР-01840021162 Инв.№0285.00 19062, 42с.

Разработать, исследовать и внедрить металлические блоки покрытия производственных зданий на прямоугольном и квадратном планах с новыми конструктивными решениями и подготовить предложения для включения в новую редакцию главы СНиПЦ-23-81 иразвивающие его документы. ОтчетоНИРАрмНИИСАза1985г. С.И.Аванесов, Т.К.Арутюнян, Т.В.Чихачев. №ГР-01850050413 Инв.Ко0286.0026002, 74с.

Изучить особенности работы металлической фермы с гибкими стержнями и составить "Рекомендации" по проектированию, изготовлению, сборке и монтажу блокоз покрытия на прямоугольном плане из таких ферм. Отчет о НИР АрмНИИ-СА за 1986г. С.И.Аванесов, Т.К.Арутюнян, Т.В.Чихачев. №ГР-01860072200 Hhb.N°0287.001580I,51c.

Провести научно-исследовательские работы по разработке машинной автоматизированной системы исследования сооружений (МАСИС), выдать технико-экономическое обоснование системы и внедрить ее в практику проектирования и расчета. Отчет о НИР АрмНИИСА за 19S7r. С.И.Аванесов, Т.К.Арутюнян, О.В.Саркисян №ГР-01870021107 Hhb.N°0288.0012903, 166с.

Инженер

Т.К.Арутюнян