автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Разработка новой конструкции структурной плиты и ее экспериментально-теоретическое обоснование

На правах рукописи

ЛАВРИНЕНКО Юрий Анатольевич

РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ СТРУКТУРНОЙ ПЛИТЫ И ЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Специальность 05.23.01 -«Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов -2005

Работа выполнена в Балаковском институте техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Денисова Алла Павловна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

академик РАН

Ольков Яков Иванович

кандидат технических наук Беляев Владислав Федорович

Ведущая организация: ФГУП НИЦ «Строительство». Филиал Цен-

тральный научно-исследовательский институт строительных конструкций им. В.А. Кучеренко (г. Москва)

Защита состоится « /J» 2005 г. в 11 часов на заседании

диссертационного совета Д 303.015.01 при ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова» по адресу: 117997, г. Москва, ул. Архитектора Власова, 49, комн. 319.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова».

Просим Вас принять участие в защите и направить отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, в секретариат совета по указанному адресу. Факс: (095) 960-22-77.

Автореферат разослан » 2005 г.

Учёный секретарь

диссертационного совета Д 303.015.01 кандидат технических наук

Симон Н.Ю.

ись-ч з ¡ксмза

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В современной практике строительства металл был и остается одним из главных материалов строительного производства. Это объясняется тем, что металлические конструкции характеризуются надежностью работы при различных видах напряженного состояния, обладают высокой несущей способностью, обеспечивающей восприятие значительных нагрузок при сравнительной небольшой собственной массе, простотой изготовления и эксплуатации и т.д.

В 70-х годах, как в России, так и за рубежом широкое распространение в строительстве получили структурные конструкции, которые относятся к классу пространственных решётчатых шарнирно-стержневых металлических систем. На практике, в основном, применяются решетчатые оболочки и структурные плиты. Структурные конструкции имеют больший потенциал по сравнению с усовершенствованными и широко применяемыми стандартными решениями конструкций покрытий в виде балочных, ферменных и других систем благодаря ряду преимуществ, к которым можно отнести: переход от двухмерной конструктивной формы к трехмерной, позволяющий рационально распределять нагрузки и выравнивать силовое поле без неизбежных в плоских системах концентраций усилий; возможность оптимизации и унификации составляющих их элементов; высокую степень заводской готовности; удобство транспортировки; простоту и быстроту сборки с возможностью последующего демонтажа и повторного использования; эффективность применения для строительства в труднодоступных районах.

В настоящее время наметился ряд направлений совершенствования структурных конструкций. К ним можно отнести снижение металлоемкости и трудоемкости изготовления конструкции за счет введения новых конструктивных решений узловых и линейных элементов; усовершенствование существующих и разработку новых методов изготовления и монтажа структурных конструкций с внедрением в них автоматизации; разработку алгоритмов расчета данных конструкций, учитывающих действительную работу всех элементов структурной конструкции.

Поэтому задача совершенствования конструктивных решений структурных конструкций, их экспериментальное обоснование, разработка эффективных алгоритмов расчета и методов монтажа является задачей актуальной, и на данном этапе приобретает практическую ценность в области строительства.

Целью диссертации является разработка новой конструкции структурной плиты с применением рациональных конструктивных решений линейных и узловых элементов и ее экспериментально-теоретическое обоснование.

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем: • разработаны новые конструкции каркасных узловых элементов, способствующие снижению металлоемкости и трудоемкости,..изготовления структурных плит; | НОС НЛЦМвНАЛЬНЛ* |

внмиотекА 1

• впервые проведены экспериментальные исследования действительной работы сопряжения новых элементов структурной плиты;

• разработана методика расчета структурных конструкций с учетом действительной работы узловых элементов;

• разработаны рекомендации по проектированию новой конструкции структурной плиты;

• разработаны основы автоматизации монтажа структурной плиты для специфических условий.

Практическое значение диссертационной работы заключается в совершенствовании широко используемых конструкций структурных плит: снижении металлоемкости, и трудоемкости изготовления, разработке методик расчета с учетом действительной работы всех элементов конструкции, разработке рекомендаций по проектированию, изготовлению и монтажу структур с внедрением в них автоматизации.

Реализация и внедрение результатов работы:

• рекомендации по проектированию новой конструкции структурной плиты использованы при разработке и строительстве структурного покрытия пролетом 17,15 м над двориком около магазина «Лодка-хауз» в г. Саратове по заказу ОАО «Элатив» в 2005 г.; сборка структурной плиты велась поэлементно с укрупнительной сборкой на месте;

• результаты диссертационной работы активно используются в учебном процессе Балаковского института техники, технологии и управления при изучении студентами дисциплин «Специальные металлические конструкции», «Архитектура гражданских и промышленных зданий» и при разработке курсовых и дипломных проектов.

На защиту выносятся:

• результаты разработки новой конструкции структурной плиты;

• результаты экспериментально-теоретических исследований новой конструкции сопряжения элементов структурной плиты;

• алгоритм расчета структурных пространственных конструкций с учетом действительной работы ее элементов;

• рекомендации по проектированию новой структурной плиты;

• технико-экономические показатели новой структурной плиты и разработка основ автоматизации изготовления и монтажа структурных конструкций для специфических условий строительства.

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на научных семинарах кафедр "Промышленное и гражданское строительство" Саратовского государственного технического университета и Балаковского института техники, технологии и управления, на научных конференциях Пензенской государственной архитектурно-строительной академии, Пензенской государственной сельскохозяйственной академии, Балаковского института техники, технологии и управления, Ижевского государственного технического университета.

Работа выполнена на кафедре "Промышленное и гражданское строительство" Балаковского института техники, технологии и управления Саратовского государственного технического университета.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано пять статей, получен один патент на изобретение Российской Федерации,

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из 5 глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений. Текст изложен на 169 страницах, проиллюстрирован 57 рисунками, 19 таблицами. Список литературы содержит 150 наименований отечественных и зарубежных источников.

Автор выражает искреннюю благодарность за оказанную помощь и поддержку при выполнении данной работы директору БИТТУ к.т.н. A.A. Землян-скому, а также всему коллективу кафедры «Промышленное и гражданское строительство».

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе рассмотрено современное состояние конструктивных решений структурных конструкций в отечественной и зарубежной практике строительства. Проведено обобщение и систематизация информации и дана оценка тенденций, складывающихся в области конструктивных решений структурных плит и их основных элементов - стержней и узлов, методик расчета и способов монтажа таких конструкций.

Во второй главе рассматривается новая конструкция структурной плиты с применением линейных элементов сварногнутого профиля (СГП) и узловых сопряжений каркасного типа, а также рассматриваются модификации конструкций сопряжения стержней СГП с известными узловыми элементами типа «Триодетик», «ЦНИИСК», «Юнистрэт» и др, широко используемыми в практике строительства.

В третьей главе приведены экспериментально-теоретические исследования действительной работы сопряжения новых элементов структурной плиты.

В четвертой главе изложена методика статического расчета пространственных стержневых систем с учетом действительной работы узловых элементов. Проведено сравнение численного расчета фрагмента структурной плиты с использованием линейных элементов сварногнутого профиля и узловых сопряжений каркасного типа по предложенной методике с известными результатами экспериментально-теоретических исследований.

В пятой главе проведено технико-экономическое сравнение новой конструкции структурной плиты с известными конструктивными решениями «ЦНИИСК», «Кисловодск», «Берлин». Разработаны рекомендации по автоматизации монтажа структурных конструкций с использованием новых элементов в специфических условиях.

В приложении приведены: акт о внедрении материалов работы; определение констант подобия натурной и модельной конструкций; таблицы резуль-

татов экспериментально-теоретического исследования узлового соединения и фрагмента структурной конструкции.

1. Структурные конструкции получили широкое распространение в строительной практике как в России, так и за рубежом, благодаря их положительным особенностям: переходу от двухмерной конструктивной формы к трехмерной, позволяющему рационально распределять нагрузки и выравнивать силовое поле без концентраций усилий, неизбежных в плоских системах; возможности оптимизации и унификации составляющих их элементов; высокой степени заводской готовности; удобству транспортировки, эксплуатации и монтажа в труднодоступных районах строительства.

Напряженно-деформированное состояние структурной конструкции от действия внешней нагрузки, а также ее прочностные и весовые показатели существенно зависят от геометрии сеток, типа выбранных элементов - стержней и узлов.

Как показала зарубежная и отечественная практика проектирования и эксплуатации таких конструкций, наиболее рациональным профилем для стержней структурных плит является труба круглого сечения. При условии одинаковой гибкости сжатого стержня применение круглой трубы позволяет экономить металл до 15 % по сравнению с прокатными профилями. Однако стоимость линейных элементов замкнутого гнутого профиля в среднем на 30% выше стоимости проката. Эта разница увеличивается, если для сопряжения в узловом соединении требуется доработка концевых участков стержней с введением дополнительных элементов.

В 80-е годы Денисовой А.П. было предложено использовать в стержневых элементах сварногнутый профиль, который по некоторым своим характеристикам превосходит прокатные профили и трубы. В те же годы Денисовой А.П. совместно с Кизимовой О.В. было проведено экспериментальное обоснование работы таких стержней на центральное сжатие и растяжение применительно к структурным плитам. Однако рациональные конструктивные решения узловых элементов и их совместная работа со стержнями сварногнутого профиля так и не были исследованы. Поэтому дальнейшие работы по применению новых замкнутых гнутых профилей в пространственных стержневых конструкциях, имеющих конструктивные достоинства трубчатых профилей и стоимостные достоинства прокатных профилей, являются практически важными.

На сегодняшний день имеется большое количество конструктивных ре- " шений узловых элементов. При этом в каждом конкретном случае применение того или иного варианта конструкции узла обусловлено требованиями, предъявляемыми к нему, а также параметрами структурной конструкции (геометрией сеток, нагрузками, условиями опирания, величинами пролета и др ). Например, в конструкциях с повышенными требованиями к жесткости предпочтительнее применять такие узловые соединения, как «Меро»; при определенных прочностных требованиях - узловые сопряжения типа «ЦНИИСК» и «Октаплатт»; для сокращения сроков строительства - узловые элементы, как «Триодетик»; для снижения массы конструкции структурной плиты - каркасные узловые элемен-

ты «МАрхИ». Но большинству узловых соединений свойственна повышенная трудоемкость изготовления, и, зачастую, их производство возможно лишь в заводских условиях. Кроме того, узловые соединения, обладая требуемыми достоинствами, характеризуются или большой металлоемкостью («Меро»), или весьма большой трудоемкостью при выполнении («ЦНИИСК» и «Октаплатт»), или небольшой жесткостью и высокой металлоемкостью («Триодетик»),

В 80-е годы Никифоровым В.Г. был предложен узловой элемент в виде пространственного каркаса из однотипных штампованных фасонок, который при обеспечении заданной жесткости обладает малым весом. Этот элемент можно было применять при различной густоте сетки. Однако использование этого узла требует большой точности сборки, что значительно увеличивает как трудоемкость изготовления, так и сроки монтажных работ. Поэтому поиски и разработка новых конструктивных решений узловых элементов, которые могут отвечать перечисленным выше требованиям, остается актуальной задачей при проектировании структурных плит.

Теоретические исследования НДС регулярных пространственных стержневых систем ведут по двум расчетным схемам: континуальной и дискретной. Континуализация дискретного объекта эффективна при увеличенной густоте сетки структурной конструкции и применима, в основном, для приближенного расчета. Дискретность структурной конструкции предопределила применение дискретной схемы расчета с использованием метода конечных элементов, более точно учитывающей индивидуальные особенности каждого элемента конструкции. Существующие методики расчета по дискретной схеме также можно отнести к приближенным, так как они не учитывают реальную работу данных конструкций. Так, узловые сопряжения стержней принимаются шарнирными; масса узлового элемента учитывается только при задании нагрузок; не учитывается жесткость узлового элемента и т.д.

В 80-х годах Меланичем В.М. были выполнены исследования НДС структур с учетом как податливости узловых сопряжений, так и нелинейной работы материала. То есть появились первые алгоритмы расчета, в которых учитывалась действительная работа узлового элемента. Однако податливость узловых элементов каркасного типа определялась приближенно из условия только одностороннего сжатия. Поэтому дальнейшее совершенствование методики расчета структурных плит, учитывающей действительную работу их элементов и сопряжений, имеет определенную практическую ценность и будет содействовать повышению эффективности конструкций при проектировании.

Проведенный автором анализ конструктивных решений решеток, стержней, узловых элементов структурных плит, а также алгоритмов их расчета позволил определить актуальные направления совершенствования проектирования структурных конструкций для их более широкого внедрения в строительную практику и сформулировать цели и задачи исследований настоящей диссертационной работы.

2. В 80-е годы были сделаны первые попытки применения в линейных элементах структурных плит сварногнутого профиля, который по некоторым

своим технико-экономическим характеристикам превосходит прокатные профили и трубы.

Сварногнутый профиль (СГП) - это тонкостенный трубчатый элемент с чечевицеобразным поперечным сечением, образуемый путем деформации избыточным давлением двух стальных полос, герметично соединенных по кромкам (рис. 1, а-1). Формообразование трубчатого сечения может производиться как в заводских условиях, так и на строительной площадке (рис. 1, а-1). Для изготовления плоских заготовок элементов сварногнутого профиля в заводских условиях можно использовать известный специализированный стан, модернизированный в 80-х годах Денисовой А.П. и Кизимовой О.В.

Стержни СГП объединяют в себе положительные качества замкнутых профилей (хорошая работа на осевое сжатие) и прокатных (наличие плоских концевых участков), поэтому их применение возможно как в узловых элементах, разработанных для стержней прокатного профиля, так и для узлов со стержнями трубчатого профиля. В работе представлено несколько модификаций как концевых участков стержней СГП для возможности сопряжения их с известными узловыми элементами (рис 1, а), так и фасонок известных узловых элементов для возможности их сопряжения со стержнями СГП (рис 1, б), которые улучшают совместную работу сопряжения стержня с узлом.

Например, применительно к узловому соединению «ЦНИИСК» на концевых участках линейных элементов СГП применяются накладки для увеличения несущей способности стержня (рис. 1, а-2). Для узлового соединения «Триоде-тик» плоские концы линейного элемента СГП опрессовываются по профилю пазов, что упрощает изготовление стержня и повышает его надежность (рис. 1, а-3). Применительно к узловому соединению «Юнистрэт» рационально изменять не плоские концы стержня, а выполнить в фасонке узлового элемента фигурные вырезы для повышения жесткости сопряжения фасонки и стержня (рис. 1, 6-1). В узловом соединении каркасного типа, предложенном Никифоровым В.Г., крепление плоского концевого участка стержня СГП может быть различным (рис. 1, 6-2). Можно использовать одностороннее или двустороннее сопряжения: наложение плоских концов стержня на фасонки узлового элемента; расположение фасонки между полосами, образующими стержень; расположение плоских концов стержня между фасонками. Также рассмотрена смешанная модификация с изменением очертания фасонок узлового элемента и применением накладок на концевых участках стержня (рис. 1, б-З).

Проведенный анализ положительных качеств сварногнутого профиля и предложенные модификации узловых сопряжений (рис. 1, а, б) показал возможность расширения области использования сварногнутого профиля (до 80%) для структурных плит с известными узловыми элементами.

В работе рассматривается новый узловой элемент каркасного типа (ПФ1) с возможностью соединения в нем линейных элементов СГП. Автор обращает внимание на то, что данные узлы можно применять в структурных плитах также со стержнями и> проката и труб со сплющенными концами. На рис 1-в новая конструкция узла приведена применительно к простейшей решетки структуры только из соображений наглядности конструктивного решения

Новая конструкция структурной плиты

Модификация существующих элементов структурных плит для применения в них сварногнугого профиля

а) Модификация линейного элемента

О линейный элемент СГП I этап Р 0 2этап Р = 1 6 етм

пояосм ( А| 2 тисгии

. . мл'гокйгч ^ -н участок \

I

4- - ^ - -

Г"1 г1

игоЙЙог^-..^ И'«Л А --„

2) увеличение жесткости концевых участков накладками

" N

Р-"

3) изменение формы концевых участков

б) Модификация узловых элементов

1) фигурные вырезы в узловом элементе

2) изменение крепления линейного элемента несимметричное

3) смешанная модификация

гурнчй »ырез

в) Новые узловые соединения каркасного типа

1) узловое соединение ПФ1 для сборки структурных агит из длинноразмерных элементов

модификация ПФ1-1

модификация 11Ф1-2

N_/1ЛЬ>3

Рис 1 Основные элементы структурной плиты и их модификация

Узловое соединение ПФ1 (рис. 1, в) в виде четырехгранной чаши предложено для структурных плит из длинноразмерных элементов, длиною величиной в пролет. Сопряжение образуется путем объединения стержней листовыми фа-сонками, которые устанавливают в месте пересечения длинноразмерных линейных элементов. Фасонки, примыкающие к стержням, повторяют их очертание. При этом разработаны две модификации этого узлового элемента - ПФ1-1, ПФ1-2. В первой модификации (ПФ1-1) фасонки охватывают стержневой элемент по всей ширине. Это узловое соединение не требует высокой точности изготовления и сборки. Данную модификацию узлового элемента можно применять в структурных конструкциях с небольшими пролетами (до 12 м) и небольшими нагрузками на покрытие. Во второй модификации узла (ПФ1-2) фасонки выполняются на 1/3 ширины стержневого элемента симметрично относительно центральной оси стержня, что приводит к соблюдению требований соосности линейных элементов. Такой узел сопряжения характеризуется высокой жесткостью и низкой металлоемкостью, что дает возможность применять его в структурных конструкциях с пролетами до 24 м с любыми типами решеток и сечений линейных элементов

3. Для оценки работы сопряжения стержней СГП с узловым элементом каркасного типа разработана экспериментальная установка для создания двухосного напряженного состояния (рис.2) и методика проведения эксперимента В ходе проведения исследований было поставлено несколько задач: выявление рациональной формы фасонок узлового элемента; определение оптимального соотношения толщин фасонки узлового элемента и концевого участка стержня; определение рационального вида сопряжения стержня и узлового элемента; определение допусков на проектное положение опорного узла.

Для выбора рациональной методики испытаний на моделях был предварительно проведен упрощенный анализ условий эксперимента методами теорий размерностей и подобия. Как показало конструктивное моделирование, основные геометрические характеристики, как натурных узловых элементов, так и их моделей находятся в прямой зависимости от геометрических параметров концевых участков линейного элемента СГП, поэтому достаточно провести моделирование только стержня СГП. Учитывая что материал натуры и моделей одинаковы (с("'= иы , Е(н)= Е(м),«<н)= £(м)), моделирование узлового и линейных элементов СГП проводится из условий простого геометрического подобия.

Для определения рациональной формы фасонок узлового элемента была принята модель в виде октанта, как более простая и технологичная в изготовлении (рис. 2, 1-а). В процессе эксперимента в фасонках узлового элемента выявлены зоны как со значительной концентрацией напряжений, так и с нулевыми напряжениями Это позволило определить рациональную форму фасонок, которая должна повторять линии касательных напряжений, возникающих в ней, и, в идеале, стремиться к сферической. Для дальнейших экспериментальных исследований были выполнены модели узловых элементов с новым (рациональным в конструктивном и технологическом отношениях) очертанием фасонок (рис. 2,1-6).

Экспериментально-теоретическое исследование действительной работы сопряжения новых элементов структурной плиты

1 этап. Определение рациональной формы фасовок узлового соединения

а) фасонки в виде тополя т„

ошганта

2 этап. Определение рационального типа сопряжения узлового и линейного элементов при = 3

диапазон исследования

?"ф=0,55мм| [¿У 1,0 мм

?-*-{ 1

0.5 = ^ = 4 оптимальное соотношение толщин

2,7 - Ц/^п ' 3,

Рис.2 Экспериментальное исследование нового узлового элемента

Для определения рационального вида сопряжения стержня СГП с фасовкой узлового соединения было изготовлено несколько моделей: с односторонним примыканием стержня к фасонке узлового элемента (рис. 2, 2-1); с двусторонним примыканием стержня к фасонке узлового элемента (рис. 2, 2-2); с защемлением плоского участка стержня между фасонками узлового соединения (рис. 2, 2-3). При этом, учитывая результаты предыдущего эксперимента, соотношение толщины фасонки и концевого участка стержня было принято равным \.$/2\.п = 3. Результаты эксперимента показали, что оптимальным является третий вариант сопряжения - с защемлением плоского участка стержня между фасонками узлового соединения. Такое соединение обеспечивает наилучшую совместную работу стержня и узла, а также позволяет увеличить жесткость фасонки и стержня без лишних затрат.

Определение соотношения толщины фасонки узлового элемента и концевого участка стержня проводилось из условия их равноустойчивости (рис. 2, 3). Была спланирована серия экспериментов: для каждого из двух узловых элементов с фасонками толщиной 1ф=0,5мм и Ц,=1,0 мм толщины концевых участков линейных элементов СГП принимались в диапазоне 0.5 <Х^2ХП <5. На основании проведенных исследований найдено оптимальное соотношение толщин -2.1 <,\$/2\а <3.1, где Ц - толщина фасонки узлового элемента, 2\п - толщина концевых участков линейного элемента.

На заключительном этапе экспериментальных исследований была проведена проверка работы наиболее нагруженного опорного узлового элемента при различных его отклонениях от проектного положения, поскольку анализ отказов структурных плит показал, что, в основном, они происходят за счег перегруженности и разрушения приопорных линейных элементов. Экспериментально автором выявлено, что причиной перенапряжения опорных стержней является отклонение узлового элемента от проектного положения. В процессе эксперимента определялась критическая нагрузка при вертикальных смещениях фасонок узлового элемента. Так, при вертикальном смещении одной из фасонок узлового элемента (габаритами 250x250 мм.) на 5 = 1 мм произошло увеличение напряжений в опорных стержнях на 50 - 60 %. При этом величина критической силы уменьшилась на 40 - 50 %. Результатом этого этапа эксперимента явилось определение допуска на отклонение опорного узла от горизонтали Ь/5 4/25000, где Ь - средний габаритный размер узлового элемента.

Для подтверждения результатов каждого этапа эксперимента были проведены теоретические исследования работы узлового элемента. Исследование проводилось методом конечных элементов с использованием программного комплекса Лира 9 0. Полученные величины критических сил и изополя напряжений в фасонках узлового элемента для каждого этапа экспериментальных исследований позволили провести анализ действительной работы узлового элемента и оценку результатов эксперимента. Сравнение результатов экспериментальных и теоретических исследований показало, что разница их составила в среднем 12-22 % (рис. 3, 1).

Проведенные исследования действительной работы узлового элемента каркасного типа позволили автору разработать рекомендации для конструирования

*

I. Сравнение результатов -жсперичентально-теоретическот исследования работы узлового сопряжения

1 этап

с,(МПа1

Нагруич. |кН)

2 эш!

3 этап

4 лап

Г'.

Р"

ЭКСП Тсор

0 36

8.7е)

-4 27

22 51

0 48

II 88

-4 85

29 61

26

26

12

24

1,-4) 55мм

оз:

0 4-;

28

Ц-0 1мм

1 95

2 50

22

эксп чеор

0 46

4.99

-3.70

5.01

0 52

7.П

-5.69

7.16

055мм

0 48

0 55

•Ч-А 1м

2 69

3 49

23

18

30

35

30

Ц"0 «чм

044

0 59

25

3 0»

4 05

24

Р.(«Н)

ичи )ИК

»кспер 1мент

у

г

2.7 = [»'21.= 3.1

Р-'Р" .

л 1

/ VI

чкикпжмо 1/

о о: О 04 вол 0 08

2. Рекомендации для конструирования узловых сопряжении новой конструкции структурных плит

- форма фасонок узлового члемента должна повторять линии касательных напряжений, возникающих в них, и в идеале форма узлового элемента должна стремится к сферической.

закрепление концевых учас1 ков стержневых элементов производить между фасопками узлового •злемента.

соошошенне золшин концевого участка линейного элемента и фасоцки узлового элемента назначать из условия

2.7 3.1;

- допуск на отклонение горизонта опкрания - №¿¿1/25000. где Ь -средний габаритный разчер узлового соединения, 6 - допустимое вертикальное смещение опоры фасоики.

- повышенную толщину фасонок опорного узлового соединения (V") назначать изусловия.

С"-**.

1де I, - гол шина фасонки рядовохх) элемента,

3.Новое узловое соединение ПК2

- для исключения применения накладок на концевых участках стержней СГП рекомендуется выст> пы фасонок продолжать пределы фасонок на зону стержня, равную длине изменения поперечного сечения стержня

1415 2)11., где Ь,. - ширина полос образующих стержень СГП

Рис.3 Ре^.1ъта1ы эксперименталыю-теоретическош исследования работы узлового элемента

узловых сопряжений новой конструкции структурной плиты (рис. 3-2), и на основании этого предложить новую конструкцию узлового элемента (ПК2) с рациональным очертанием фасонок (рис. 3-3).

Узловой элемент (ПК2), состоит из штампованных фасонок, собранных в ромбокубооктаэдер, с выступами, продолженными за пределы фасонок на длину, равную ширине стержня, причем выступы переменны по длине (рис. 3-3). При сборке узлового соединения эти выступы образуют проемы, в которые при сборке вставляются концевые участки стержневых элементов сварногнутого профиля. Малый вес и необходимая жесткость узлового соединения обеспечиваются за счет конструкции узла в виде пространственного каркаса. Продолжение выступов за пределы фасонок позволяет отказаться от накладок на плоских концевых участках стержней. Величина продолжения выступов равна двойной ширине плоских концов стержней Ь=2ЬП, где Ьп - ширина полос, образующих стержень сварногнутого профиля. Закрепление стержня между фасонками узлового элемента обеспечивает их наилучшую совместную работу и одновременно позволяет увеличить жесткость фасонки узлового соединения и концевого участка стержня без лишних затрат. Данное узловое соединение позволяет снизить металлоемкость структурной плиты и повысить ее несущую способность. Такой узловой элемент можно использовать для любых типов решеток и пролетов структурных плит.

4. Для оценки напряженно-деформированного состояния новой конструкции структурной плиты была разработана методика расчета по методу конечных элементов. В отличие от шарнирного сопряжения стержней, принимаемого в известных методиках расчета, автор учитывает действительную работу сопряжения стержней в узле, задавая его конечную жесткость. Полому для расчета по методу перемещений в каждую угловую точку рассматриваемой пространственной системы вводятся кроме трёх связей (\у, и. у), исключающих только линейные смещения узлов, еще три связи (с1\у/<1х, с1и/<3у, <Ыс1г), ограничивающие угловые смещения узлов.

Для каждого компонента вектора перемещений некоторой базисной (угловой) точки к1 элемента «г»:

(Чы}-^и,ии,уы, ск1Ы/с1у,<К,/с1г} (4.1)

где к1 - координаты углов элемента в местной системе координат.

Запишем соответствующие аппроксимирующие функции: МУ)]=[ФЛ {а}', [и(У)]= [Фи] {а}\ [V (>,!)]= [ЧК] {а}',

[«И!и)/ёх] = [Ф^.мх] {а}г (4.2)

[<ВД)%] = [ФсЫМу] {< = [Ф„у/(12] {а}г где у - дискретные координаты узлов ДКЭ;

{а}г- вектор независимых параметров, определяемых числом степеней свободы элемента.

Смещения базисных (угловых) точек элемента «г» представим в виде:

{чГ = М{а}г, (4-3)

где [V] - координатная матрица, полученная подстановкой координат базисных точек в полученные функции перемещений (4.2).

Если перемещения любого узла внутри ДОЭ задать в векторном виде: Ф ! ф

I Ф I Ф

| ф !

<]ш

, ф» ф

=!

<0= ¿Г *

1 !Ф

-[V]'1 {ц}',

(4.4)

¿и |

Лу |

«IV |

<и

ф

то можно найти внутренние усилия в любом из стержней рассматриваемой конструкции:

Е.Е.

(4.5)

dw,/dz

где [т] - матрица направляющих косинусов стержня '<а»;

Еа, Ра, 1а - соответственно модуль упругости материала, площадь поперечного сечения и длина стержня «а»;

[Х[] - разностный оператор.

Внешнюю нагрузку на произвольных перемещениях запишем в виде:

[N,3]= [т]т [т](МШ. (4.6)

Тогда выражение (4.5) примет следующий вид:

[8(м)]=ЕуЧ^]т[У]-1 (4.7)

а

Согласно принципу возможных перемещений приравняем работы внешних (усилия взаимодействия в сопрягаемых точках) и внутренних сил на произвольных перемещениях, вызванных смещениями 5{я}г его базисных точек. Окончательно выражение для матрицы жесткости ДКЭ будет иметь вид

- - ¿у,Му

Рис. 4. Расчетная схема конечного элемента "г"

[К]Г=([УГ)Т(

(4.8)

Для подтверждения предложенной методики были проведены численные эксперименты по определению НДС фрагмента структурной плиты с узловыми элементами каркасного типа (рис. 2. 1-а) и стержнями сварногнутого профиля (рис.1, а-1) Размеры фрагмента в плане 1,4x1,4 м, высота 0,606 м (рис 4). Закре-

Рис. 5. Расчетная схема фрагмента структурной плиты с учетом работы узловых элементов

ч / \ / \ /_

/

\

\ ✓ \ / _V

/

_i.iL.

\

4 /

1400

/

/V 20

12

Р/4

700

Р/4

А"

(

7\

/ \ / N |

/ \ / \ —-"--*

700

700

Рис 6 Экспериментальное исследование фрагмента структурной плиты проведенное Кизимовой О.В

пление концевых участков стержней выполнено между фасонками узлового элемента (рис. 2. 3-3). На концевых участках сжатых линейных элементов применены накладки длиной 1=1|+Ь„ и толщиной 1И=1П. Основные геометрические характеристики линейных элементов представлены в Таблице 1.

Таблица 1.

Параметры линейных элементов СГП

I -1 1„, мм мм 1„, мм \1-ЬпЛп V пих Кр

1 —ч Г1

1 ТЭМНГГ**! ПТ1"| 1 Г- 1. | Ч, 1 700 53 0 25 211 132 0 7%

Параметры узловых элементов СГП

Ц, мм Ьф, мм аф, мм сопряжение стержня и фа-сонки узла

защемление концевого

\ & 0.5 35 73 участка между фасонками узлового элемента

В работах Кизимовой О.В. для этого фрагмента структурной плиты приведены результаты экспериментальных испытаний на статическую нагрузку, а также результаты численных исследований, выполненных без учета действительной работы узловых соединений (рис. 5). Для сравнения существующих результатов автором были выполнены следующие расчеты: определение усилий в стержнях без учета действительной работы узловых элементов; определение усилий в стержнях с учетом действительной работы узловых элементов по предложенной методике (рис. 4). Все численные эксперименты проводились с помощью расчетного комплекса Лира 9.0. Сравнение существующих и полученных автором результатов приведено в Таблице 2

Таблица 2

Наименование стержней № стер жня Величина продольных усилий в стержнях плиты, кН

данные КиимовойОВ. данные автора сравнение

^'эксп Ыт2, без 1 Ытз, с уче1а учетом узлов ] узлов N,,/N,2, ! Ыт1/Кт3, % 1 % Итз/^ксп %

п ри Р=1кН

Верхний пояс 4 1-0 18 -0 17 -0 175 -0.169 3 1 0.8 6.3

Опорные раскосы 12 -0 41 -0 35 -0 351 -0.344 03 1.7 16.0

Нижний пояс 20 ¡0 19 017 I 0175 0.169 27 0.5 10.9

п эи Р=2кН

Верхний пояс 4 -0 39 -035 -0 351 -0.337 03 3.6 13.5

Опорные раскосы 12 -064 -071 -0 702 -0.688 1 1 3.0 7.0

Нижний пояс 20 04 035 0 349 0.338 02 3.3 15.4

при Р=ЗкН

Верхний пояс 4 -0 62 -0 52 | -0 526 -0.506 12 ! 2.7 18.4

Опорные раскосы 12 1-1 26 - 1 06 -1 053 -1.033 0 6 2.6 18.0

Нижний пояс 20 Го 59 0 52 ! 0 524 0.508 0 8 , 2.4 14.0

Величины усилий в стержнях фрагмента структурной плиты без учета работы узловых элементов, полученные Кизимовой О.В. и автором, практически идентичны, что оправдывает использование программного комплекса Лира 9.0. Учет жесткости узловых соединений стержней по методике автора показал, что величины усилий в стержнях снизились на 2...4 %. То есть предложенная методика расчета структурных конструкций, учитывающая действительную работу узловых элементов, дают возможность более точно оценить работу конструкции под нагрузкой и уменьшить расход стали.

5. Проведено технико-экономическое сравнение новой конструкции структурной плиты с известными конструктивными решениями типа «Меро», «ЦНИИСК». Сравнение показало что предлагаемая новая конструкция структурной плиты (линейные элементы СГП, узловые элементы типа ПК2) по металлоемкости является более экономичной, чем структурная плита типа- типа «ЦНИИСК» на 18%, типа «Меро» на 10%. По стоимости предлагаемая конструкция структурной плиты уступает конструкции со стержнями прокатного профиля на 5%, но дешевле чем конструкция со стержнями из труб на 8%. Также определено, что применение плиты из новых элементов позволяет: уменьшить затраты при транспортировке на 25...35%; снизить затраты при сборке и монтаже на 19%; снизить стоимость конструкции в деле на 3,5... 10,5%.

Необходимо отметить, что использование новой конструкции структурной плиты в практике строительства позволяет автоматизировать не только изготовление ее линейных и узловых элементов, но и сборку самих структурных плит с использованием специального кондуктора. Предложенный принцип формообразования пространственных стержневых плит из элементов сварног-нутого профиля позволяет проводить автоматическую сборку в различных труднодоступных районах, например, в океане, в космосе.

Основные выводы и результаты

На основе проведенных автором исследований было получены следующие

результаты:

1. Проведен анализ современного состояния конструкции структурных плит и методик их расчета, на основании которого определены приоритетные направления их совершенствования, а именно:

- применение в линейных элементах легких трубчатых профилей;

- применение узловых соединений каркасного типа;

- учет действительной работы узловых элементов структур.

На основании этого обоснована актуальность цели исследований и сформулированы основные задачи.

2 Разработана новая рациональная конструкция структурной плиты, в которой использованы новые линейные и узловые элементы. Линейные элементы сварногнутого профиля (СГП) обладают некоторыми достоинствами прокатных (низкая стоимость) и трубчатых (рациональность распределения материала по сечению, малая материалоемкость и хорошая работа на центральное сжатие и растяжение) профилей. Учитывая достоинства стержней СГП, определена область их применения в структурных плитах. Новые конструктивные решения каркасных узловых элементов (ПК1, ПФ1) позволяют при обеспечении заданной жесткости сопряжения стержней снизить массу всей конструкции структурной плиты. Каркасные узловые сопряжения разработаны для плит поэлементной сборки из коротких (ПК1) и длиноразмерных (ПФ1) стержней рациональных профилей; СГП, электросварные и горячедеформированные трубы.

3. Впервые проведены экспериментальные исследования по определению действительной работы узловых соединений каркасного типа структурных конструкций. Определены рациональные параметры не только узловых элементов, но и линейных элементов сварногнутого профиля. Выявлена причина перегрузки опорных подкосов в существующих структурных плитах, которая приводит к их отказу. Разработаны рекомендации по ее устранению на стадии проектирования. Автором установлены допуски на отклонение положения опорных узловых элементов от проектного. Результаты экспериментов подтверждены численными исследованиями, выполненными методом конечных элементов с применением расчетного комплекса Лира 9.0.

4. На основе экспериментально-теоретических исследований разработаны рекомендации по проектированию новой конструкции основных элементов структурных плит, разработан новый узловой элемент каркасного типа ПК2. Этот узел по сравнению с известным узловым элементом ПК1 учитывает требования плавного распределения касательных напряжений в фасонках и более технологичен в изготовлении. Конструкция фасонок (выступы фасонок узлового элемента продолжены на величину двойной ширины плоских концов стержней Ь=2ЬП) позволяет отказаться от накладок на плоских концевых участках стержней СГП, что упрощает их конструкцию и повышает надежность сопряжения с узловым элементом.

5. Разработан алгоритм расчета структурных пространственных конструкций с учетом действительной работы узлового элемента. Произведен численный расчет фрагмента структурной плиты с применением стержней СГП и узловых элементов каркасного типа. Достоверность алгоритма расчета подтверждена сравнением результатов, полученных автором, с существующими результатами экспериментально-теоретических исследований.

Учет жесткости узловых соединений стержней по методике автора показал, что величины усилий в стержнях снизились на 2...4 %. То есть предложенная методика расчета дает возможность более точно оценить работу структурной конструкции и ее основных элементов под нагрузкой и уменьшить расход стали.

6. Сравнение технико-экономических показателей новой конструкции структурной плиты с известными конструктивными решениями («Меро», «ЦНИИСК») показало эффективность использования сварногнутого профиля и новой конструкции узлового соединения в пространственных стержневых конструкциях. Применение в структурных плитах новых элементов позволяет: уменьшить затраты при транспортировке на 25...35%; снизить затраты при сборке и монтаже на 19%. Разработаны основы по автоматизации монтажа структурных конструкций в специфических условиях с использованием стержней СГП и узлового элемента каркасного типа.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1. Лавриненко Ю.А.. Кизимова О.В. Эффективность применения сварногну гых профилей в пространственных решетчатых конструкциях // Совершенствование методов расчета строительных конструкций и технологии строительства' Межвузовский сборник - Саратов: Изд-во СГТУ, 2002. - С. 110 -114.

2. Лавриненко Ю.А. Кизимова О.В. Жесткость стержней сварногнуто-го профиля, применяемого в пространственных решетчатых конструкциях // Молодежь, студенчество, наука XXI века: Материалы 4 электронной заочной конф - Ижевск: Изд-во ИжГТУ, 2004 - С. 107 - 108.

3. Лавриненко Ю.А. Денисова А.П. Автоматическая сборка пространственной стержневой плиты // Механика и процессы управления: Труды 34 Уральского семинара: В 2 т. - Екатеринбург, 2004. - Т.2 - С.257 - 262.

4. Лавриненко Ю.А. Применение сварногнутого профиля в пространственных структурных системах // Эффективные строительные конструкции: теория и практика: 2 Международная науч.-тех. конф. - Пенза, 2003 - С. 133 -136.

5. Лавриненко Ю.А., Денисова А.П. Фундаменты под нефтегазопро-мысловые сооружения на вечномерзлых грунтах / Тезисы докладов // Совершенствование проектирования, строительства и эксплуатации металлических резервуаров: Международная конф. 24-26 мая 2005 г. - Уфа: ТРАНСТЭК, 2005.-С.21 -23.

6. Пат. 38184, МПК7 Е 04 В 1/58. Узловое соединение стержней пространственного каркаса / Ю.А. Лавриненко, А.П. Денисова, 2004106953/20; За-явл. 09.03.2004; Опубл. 27.05.2004, Бюл. №15. - 2 с.

г

Лавриненко Юрий Анатольевич РАЗРАБОТКА НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ СТРУКТУРНОЙ ПЛИТЫ И ЕЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ

Автореферат

Подписано к печати 31.08.2005г. Формат 60x84/16. Бумага офсстная. Печать офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.печ.л. 1,25. Тираж 100. Заказ № 1498.

Отпечатано с оригинал-макета в ООО «Ладога-ПРИНТ» 410012, г. Саратов, ул. Московская 160. тел.: (845-2) 507-888

IP 16332

РНБ Русский фонд

2006-4 12081

Условные обозначения и сокращения

1. Современное состояние в области проектирования стержневых 7 пространственных систем и задачи исследования

1.1 .Развитие конструктивных решений структурных плит за рубе- 7 жом

1.2.Развитие конструктивных решений структурных плит в России

1.3 .Общая характеристика структурных плит

1.4. Конструкция стержней и узлов

1.5. Методики расчета стержневых пространственных систем

1.6. Актуальность работы, цель и задачи исследования

2. Конструктивное решение новой стержневой пространственной системы

2.1 Линейный элемент сварногнутого профиля в известных стержневых пространственных системах

2.2 Модификация существующих элементов структурной конструкции для применения в них сварногнутого профиля

2.2.1. Модификация линейного элемента сварногнутого профиля

2.2.2. Модификация существующих узловых элементов для применения в них сварногнутого профиля

2.2.3. Смешанная модификация

2.3 Разработка нового узлового соединения стержневых пространственных систем

2.4 Выводы по главе

3. Экспериментально-теоретическое исследование работы нового узлового элемента

3.1. Цели и задачи экспериментально-теоретического исследования

3.1.1. Методика проведения экспериментального исследования

3.1.2. Методика проведения теоретической проверки результатов экспериментального исследования

3.2. Экспериментальное исследование работы нового узлового элемента и численная проверка результатов эксперимента

3.2.1. Определение рациональной формы узлового соединения

3.2.2. Определение рационального типа сопряжения концевого участка стержня и фасонки узлового соединения

3.2.3. Определение соотношения толщины фасонки узлового элемента и концевого участка стержня

3.2.4. Определение допусков на проектное положение опорного узла

3.3. Рекомендации для конструирования узловых элементов СПС

3.4. Выводы по главе

4. Теоретические исследования НДС новой конструкции пространственной стержневой структуры с учетом работы узловых элементов

4.1. Методика формирования матрицы жесткости методом конечных элементов, с учетом действительной работы узловых сопряжений

4.2. Расчет фрагмента структурной плиты с учетом работы узловых элементов

4.3. Выводы по главе

5. Экономическая эффективность применения новой конструкции структурной плиты

5.1.Эффективность пространственных стержневых систем из сварногнутых профилей и новых узловых элементов 5.2.Технико-экономические показатели нового узлового элемента каркасного типа

5.3.Область применения пространственных конструкций с использованием в них линейных элементов сварногнутого профиля

5.4.Автоматическая сборка пространственной стержневой плиты

5.5.Выводы по главе 117 6. Основные выводы и результаты