автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование конструктивных решений, методов моделирования и расчета гофрированных элементов

00344933Б

На правах рукописи

РЫБКИН Иван Сергеевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ, МЕТОДОВ МОДЕЛИРОВАНИЯ И РАСЧЕТА ГОФРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

Специальность 05 23 01 «Строительные конструкции, здания и сооружения»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 6 ОКТ 2008

Москва - 2008

003449336

Работа выпотаена в Государственном образовательном учреждении высшего профессиональною образования Московском государственном строительном университете

Научный руководитель

кандидат технических наук, доцент Соболев Юрий Всеволодович

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Корчак Михаил Дмитриевич

кандидат технических наук Айрумян Эдуард Левонович

Ведущая организация Центральный научно-исследовательский

и проектно-экспериментальный институт промышленных зданий и сооружений ОАО «ЦНИИПромзданий» (г Москва)

Защита состоится 2008 г в ¿/Я? час на заседании

диссертационного совета Д 212 138 04 при ГОУВПО Московском государственном строительном университете по адресу Москва, Ярославское шоссе, 26, зал заседаний Ученого совета (1 этаж административного здания)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУВПО Московского государственного строительного университета по адресу Москва, Ярославское шоссе 26

Автореферат разослан

Ученый секретарь диссертационного совета к г н , доц — Каган П Б

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В диссертационной работе решены вопросы, связанные с разработкой и обоснованием новых конструктивных решений стенок балок, колонн и арочных конструкций, исследованием характера напряженно-деформированного состояния (НДС), местной и обшей устойчивости двутавровых металлических балок с гофрированной стенкой, а также уточнением имеющихся и разработкой новых методов и методик моделирования и расчета Результаты данных разработок позволяют повысить эффективность строительных металлоконструкций с применением гофрированных элементов, учитывая современные требования к их проектированию для широкого внедрения в практику при одновременном соответствии с действующей системой нормативных документов

В связи с этим, проведение исследований в обозначенных названием работы рамках является целесообразным и представляет собой актуальную задачу

Цель диссертационной работы - повышение эффективности балок с гофрированной стенкой, путем снижения металлоемкости на основе более рационального распределения материала конструкции, разработки метода моделирования и методики расчета

Для достижения поставленной цели решены следующие основные задачи

• с использованием аппарата теории анизотропных пластин, теории упругости и вариационного исчисления уточнен метод оценки устойчивости элементов конструкций с гофрированной стенкой,

• создан обобщенный метод компьютерного математического моделирования гофрированных элементов (в том числе и переменно-гофрированных) на основе аналитических параметрических зависимостей,

• разработана меюдика сравнительного анализа и расчета гофрированных элементов с применением современных компьютерных программных комплексов, реализующих метод конечных элементов (МКЭ), сформулированы система критериев оценки точности результатов расчета и соответствующие рекомендации,

• проведен сравнительный анализ устойчивости и НДС изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированчем стенки,

• проведен анализ металлоемкости изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки,

• проведен анализ НДС изгибаемых балок со стенкой традиционно-гофрированной волнистым и трапецеидальным профилем,

» предложен критериальный подход к области рационального применения гофрированных элементов,

• разработан общий методологический подход к оптимальному проектированию конструкций с гофрированными элементами,

• усовершенствованы основные методы производства гофрированных элементов, что делает еозможным осуществление автоматизированного изготовления переменно-гофрированных элементов

Научная новизна диссертационной работы состоит в следующем

• разработан и исследован новый тип двутавровых металлических балок с переменным гофрированием стенки,

• усовершенствованы известные и предложены новые решения конструкций с гофрированными элементами,

• развит метод оценки устойчивости элементов конструкций с гофрированной стенкой,

• разработан обобщенный метод моделирования гофрированных элементов и других элементов схожей геометрии,

• разработана методика расчета и анализа изгибаемых конструкций с гофрированной стенкой на основе МКЭ,

• исследованы вопросы НДС и устойчивости балок с традиционно - и переменно - гофрированной стенкой для характерных схем нагружения

Практическая значимость работы заключается в следующем

• на основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию конструкций с гофрированными элементами,

• разработаны усовершенствования различных способов производства гофрированных изделий,

• предложены принципы и обоснованы предпосылки рационального конструирования двутавровых балок с гофрированной стенкой традиционного и переменного решений,

• предложен критериальный подход к области эффективного применения гофрированных элементов

Внедрение исследований. Основные результаты исследований используются в практике проектирования промышленных объектов с несущими металлическими конструкциями с гофрированной стенкой Проектным институтом №2 Акт внедрения №981/22 от 18 июля 2007 года приводится в приложении к диссертации

Достоверность полученных результатов основывается на использовании апробированных методов теории тонкостенных стальных стержней и теории устойчивости пластин, сопоставлении результатов расчетов с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов, а также на многочисленных примерах компьютерного моделирования работы конструкций с применением МКЭ

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва 2006, 2007 и 2008 гг), заседаниях кафедры «Металлические конструкции» ГОУВПО МГСУ (2005, 2006, 2007 гг)

Публикации По материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в ж> риалах из Перечня ВАК РФ

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти пав, выводов и приложений Объем работы составляет 195 листов машинописного текста, в тч 21 таблица и 77 рисунков, список литературы включает 105 наименований

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, отмечаются научная новизна работы, ее практическая значимость, достоверность потученных результатов, приводятся сведения об апробации основных результатов исследований и о публикациях по теме диссертации

В первой главе рассмотрены особенности работы двутавровых металлических конструкций с традиционно-гофрированной стенкой, представлен анализ работ по теоретическим и экспериментальным исследованиям данных конструкций, а также приведены примеры их практического применения в строительстве

Формирование методов и методик оценки НДС и устойчивости традиционно-гофрированных элементов в составе строите тьных конструкций связано с такими учеными как

В Н Горнов, Г А Аржемачев, М К Глозман, Ш 3 Локшин, Е М Концевой, Я И Ольков, А Н Степаненко, О П Стариков, Г М Остриков, Ю С Максимов, В Г Огневой и др

Развитию теории устойчивости пластин, неотъемлимо связанной с исследованиями гофрированных элементов, посвящены работы В Дина, С Бергмана, X Райснера, О Кокса, Е Зейделя и др

Исследованием ортотропных пластин занимались М Яман, X Вагнер, О С Гекк, Г Эбнер, Р Саутсвелл, С. Скан и др

Устойчивости и напряженному состоянию цилиндрических панелей и оболочек в целом посвящены работы С П Тимошенко, Г А Олейникова, К Маргерра, С Н Кана, А С Вольмира и др

В большинстве исследований доя описания напряженного состояния двутавровую балку с гофрированной стснкой усювно расчленяли на три элемента верхний и нижний пояса и стенку, жесткостные характеристики которой описывались с применением аппарата теории упругости и теории анизотропных пластин

Приоритетом многих исследований стало формирование зависимостей, определяющих критическое стояние конструкции, содержащей гофрированные элементы

Анализ особенностей работы двутавровых конструкций с гофрированной с генкой показал, что поперечное гофрирование стенки позволяет воспринимать эксцентрично-приложенную нагрузку (в преде тах высоты полуволны гофра от оси стержня) без изгиба стенки из своей плоскости, а в

качестве особенности предельного состояния стенки возможно рассматривать ее «общую» и «местную» устойчивость Непрерывное гофрирование открытыми гофрами позвопяет эффективно описывать напряженно-деформированное состояние элемента аналитическими зависимостями и более технологично, поскольку оставляет контур сечения практически недеформированным Наклонное гофрирование искривляет элемент в своей плоскости, требует сложной геометрии заготовки и затрудняет производство на автоматизированных линиях

Учитывая проведенный анализ теоретических и экспериментальных исследований, а также особенности геометрии (тонкостенность), напряженного состояния и жесткостных свойств (конструктивная ортотропия) следует, что для описания напряженного состояния гофрированных элементов весьма эффективен энергетический метод и выкладки вариационного исчисления В тоже время необходимо учесть, что использование методов приближенного вычисления при выводе критических значений компонентов напряженного состояния элементов конструкций с гофрированной стенкой требует уточняющих вычислений с применением компьютерных математических комплексов, автоматизирующих операции дифференцирования и интегрирования громоздких выражений

Особенности работы, НДС и области эффективного применения конструкций с гофрированными элементами позволяют предложить новый вид тонкостенных конструкций - комбинированные конструкции

Распределение материала в таких конструкциях достигается стыковкой гладкостенных отсеков и отсеков с гофрированной стенкой Отсеки могут разделяться поперечными ребрами жесткости или плавно переходить один в другой В посчеднем случае отсек можно считать «условным» В пределах отсека гофры могут иметь постоянную длину и высоту полуволны В этом случае эффективность данного конструктивного решения во многом зависит от степени дискретизации (разделения на отсеки) стенки Гладкостенные отсеки, расположенные, как правило, в местах относительно малых поперечных сил могут иметь перфорированные и/ичи подкрепленные участки, позволяющие дополнительно снизить расход материала и расширить область применения данного вида конструкций

Своеобразной разновидностью комбинированных и одновременно с этим конструкций с гофрированной стенкой являются двутавровые конструкции с переменным гофрированием стенки

Идея переменного по длине балки гофрирования стенки заключается в концентрации гофров в местах интенсивных поперечных сил, возникающих в опорных участках (при рассмотрении балочной конструкции, работающей на изгиб) При этом по высоте сечения отдепьно взятый гофр остается с постоянными длиной и высотой полуволны, для обеспечения местной устойчивости стенки, то есть работы гофра подобно поперечному ребру

жесткости. Данные особенности переменно-гофрированных балок выделяют их на фоне балок Н.П. Селиванова и представляются более рациональными. Конструкции с переменно-гофрированными элементами могут быть как прямолинейного (балки, колонны), так и криволинейного (арки, искривленные опорные контуры) очертания, постоянные и переменные по высоте поперечного сечения (рис. 1). В арочных и иных криволинейных конструкциях отдельно взятый гофр может менять длину и высоту полуволны, принимая вид усеченной половины конуса, ввиду технологичности изготовления такой конфигурации.

Во второй главе уточняется существующий метод оценки устойчивости элементов двутавровых конструкций с гофрированной стенкой.

На основе гипотез расчета упругих тонкостенных стержней и пластинок рассмотрены два вида («общая» и «местная») потери устойчивости гофрированной сгенки двутавровой изгибаемой конструкции. В случае «общей» устойчивости стенка идеализировалась конструктивно - ортотропной пластинкой, а в случае «местной» устойчивости - изотропной.

Для определения критических значений напряжений использовался энергетический метод теории упругости. В качестве теоретических допущений не учитывалось влияние разнозначных по высоте стенки дополнительных касательных напряжений и считалось, что нормальные напряжения, действующие поперек гофров, стенкой не воспринимаются.

Рассматривая «общую» устойчивость стенки и принимая условие устойчивости от действия комбинированных усилий в виде:

где о$ и т5 соответственно нормальное и касательное напряжение стенки, а а„ и т„ - критические значения нормальных и касательных напряжений.

(1)

получена формула для определения значения критических нормальных напряжений, подтверждающая аналогичную формулу, представленную в работе АН Степаненко

Выражая критическое значение касательных напряжений в виде

где Е - модуль упругости материала стенки, и - толщина стенки, И -высота пластинки, равная высоте поперечного сечения балки, получена формула значений коэффициента линейно влияющего на значения критических касательных напряжений, с учетом третьего приближения Благодаря этому уточнены известные ранее значения данного коэффициента на 3-11%, причем, в сторону увеличения Таким образом, показано, что, проведя более точный вывод соответствующих выражений, можно повысить значения критических касательных напряжений при оценке «общей» устойчивости стенки, что позволяет назначать более экономичные сечения элементов

Аналогичный подход осуществлен при выводе формул критических напряжений «местной» устойчивости стенки Подтверждены известное ранее выражение критических нормальных напряжений «местной» устойчивости стенки

где э - длина дуги полуволны гофра, V - коэффициент Пуассона Подтверждены значения коэффициента к<,т, а также графики зависимости коэффициента кап, от Г] - отношения высоты пластинки Ь к длине дуги полуволны гофра - в

Уточнены значения коэффициента кт т, линейно влияющего на величину критических касательных напряжений при рассмотрении «местной» устойчивости стенки Показано, что минимальное значение этого коэффициента можно увеличить на 13,5% На рис 2 приведены графики изменения данного коэффициента

Уточнена и дополнена соответствующая табулированная форма и предложена уточненная инженерная формула для определения коэффициента

(2)

(3)

"Т П

Кт =5 92+3 5

(4)

• • • • ИЗВЕСТНАЯ ИНЖЕНЕРНАЯ ФОРМУЛА » • ПРЕДЛАГАЕМАЯ ИнЖЕНЁЖАЯ ФОРМУЛА

Рис. 2. Графи« изменения коэффициента кт т в зависимости от п=Ь/з.

Полученные уточнения и рекомендации остаются справедливы для любых изотропных неподкренленных пластинок при аналогичных граничных условиях.

Показаны возможности оценки «местной» устойчивости стенки за пределами упругости, а также оценки закритических деформаций гладкостенных подкрепленных отсеков комбинированных конструкций, в т. ч, и при сдвиге.

Как и в случае определения критических значений компонентов напряженного состояния при оценке устойчивости стенки энергетический метод применен и для отыскания выражений критических напряжений сжатого пояса. Скорректированы и дополнены значения коэффициента жесткости сжатого пояса к при определении критических нормальных напряжений:

где кф. коэффициент жесткости пояса (согласно А.Н. Степаненко), -толщина сжатого пояса, Ь - ширина сжатого пояса, 1 - длина волны гофра.

Разработаны графики для определения данного коэффициента в зависимости от соотношения высоты волны гофра к ширине сжатого пояса (1УЬ) и соотношения ширины сжатого пояса к длине волны гофра (Ь/1) (см. рис. 3).

Рис. 3. Графики определения значений коэффициента жесткости пояса.

Уточнены и дополнены (с учетом размеров элементов, производимых для конструкций с гофрированной стенкой) значения коэффициента жесткости сжатого пояса при определении критических касательных напряжений.

В третьей главе представлен обобщенный метод математического моделирования геометрии гофрированных элементов прямолинейного и

криволинейного очертания. Данный метод возможно применять также для моделирования купольных, шатровых и иных поверхностей схожей

геометрии.

Предложенный метод ориентирован на использование современных компьютерных программ, нацелен на поиск и разработку новых конструктивных решений, выявление их свойств и особенностей, а также получение характеристик данных решений, определяющих заданные свойства.

Метод основывается на аналитических зависимостях, благодаря которым построение расчетной схемы (или ее части) представляет собой математическое моделирование, т.е. уравнения, описывающие поверхность гофрированных элементов различной геометрии, являются аналитическими геометрическими моделями, заданными в виде:

г = / (я, у) • (6)

Данные модели относятся к классу структурных математических моделей, которые применяются для представления структурных свойств объектов.

Цель аналитического описания геометрии элементов: автоматическая генерация данных в соответствии с введенными ранее параметрами, в то время как реализация прямой генерации в большей степени требует со стороны пользователя непосредственного контроля номеров узлов и их граничных условий, что усложняет процесс создания сложных геометрических моделей (к которым относятся переменно - гофрированные элементы) и неминуемо увеличивает вероятность появления ошибок моделирования.

Разработанный метод допускает:

- в приведенных компьютерных программных комплексах (КПК Scad. Лира и аналогичных по функциональным возможностям) формировать расчетные схемы - модели;

- использовать возможности КПК импортировать модели в другие программы расчета и проектирования конструкций,

- создавать модели методом объединения различных геометрических форм (примером могут служить комбинированные конструкции),

- формировать модели методом преобразования формы (подгонка формы модели под заданные параметры).

Стенки арочных конструкций

Предлагается моделировать поверхности данных элементов, используя следующее аналитическое параметрическое описание:

В данной зависимости установлено влияние числовых параметров на геометрическую модель, предложены конкретные значения для моделирования различных видов стенок, сформулированы рекомендации по выбору рациональных границ параметров.

При задании замкнутой поверхности, (начальный утол 0°, конечный -360°) можно получить расчетную модель опорного контура купольных или вантовых покрытий. При необходимости дискретного расположения гофров по окружности рекомендуется расчетную модель строить из соответствующих дуг, пользуясь полученной зависимостью для арочных конструкций.

Используя приведенную зависимость и варьируя различные параметры, разработаны и функционально описаны формы и конструктивные решения стенок арочных конструкций и других элементов схожей геометрии (рис. 4).

Й®1?

tc.

Рис. 4. Некоторые вариации гофрирования стенок арочных конструкций.

Стенки балочных конструкций и колонн

Для моделирования данных элементов предлагается воспользоваться следующей аналитической параметрической зависимостью z = sm(4 х!) sm<P ут) (С x"-D) ук

Данная зависимость схожа с аналогичной для арочной конструкции, разница заключается в том, что в случае арочной конструкции функция описывает поверхность вращения

Как и в случае функционального описания геометрии криволинейных элементов, установлено влияние числовых параметров на геометрическую модель, определены конкретные их значения для моделирования различных видов стенок, а также сформулированы рекомендации по выбору рациональных границ параметров

Исследование влияния параметров указанной зависимости на геометрию элементов позволило усовершенствовать существующие формы гофрированных и близких к ним по очертанию стенок, а также разработать новые конструктивные решения Усовершенствования заключаются в распределении материала стенки в соответствии с картиной НДС при наиболее характерных для данных конструкций загружениях, т е гофрированные участки концентрируются в местах увеличения поперечных сил, уменьшая высоту полуволны гофров в соответствии с изменением интенсивности распределения поперечных сил На рис 5 представлены лишь некоторые вариации

Установлено, что в общем виде разработанные зависимости справедливы и реализуются не только в программных комплексах Лира, Scad и аналогичных по функциональным признакам, но и в любых компьютерных математических приложениях, поддерживающих построение графиков

Купольные, складчатые, шатровые и иные поверхности покрытий и других элементов схожей геометрии

С целью демонстрации многогранности разработанного метода, позволяющего моделировать разнообразные поверхности в различных компьютерных программах, а также перспективы возможного применения функциональных зависимостей при решении задач оптимизации элементов предложены новые поверхности покрытий и иных элементов с соответствующими аналитическими описаниями. Приведены аналитические зависимости для моделирования некоторых из известных ранее поверхностей покрытий

Применение представленных законов описывающих геометрическую форму гофрированных и иных элементов, в практике проектирования существенно уменьшает затраты времени на создание расчетной модели

Подбор необходимых для конкретных условий уравнений для описания поверхности гофрированных элементов предлагается осуществлять в следующем порядке

1. выбирается вид формулы в зависимости от геометрической формы элемента и вида гофрирования;

2. выбираются численные параметры, при которых геометрические характеристики полученной поверхности удовлетворяют требованиям, (при этом для определения области значений численных параметров в первом приближении рекомендуется использовать метод выравнивания, основанный на предположении линейной зависимости между численными параметрами и соответствующими им геометрическими характеристиками).

а)

"и у и V V у у ц 1|11 ц 1

/V- V

Рис. 5. Некоторые примеры разработанных и аналитически описанных поверхностей стенок, а - вариации мультитафрированных стенок с сонаправленными гофрами; б - усовершенствованная симметричная половина стекки балки И.К. Погадаеаа; в - усовершенствованная стенка балки Н.П. Селиванова;

г - стенка, гофрированная односторонними гофрами с переменными высотой и длиной полуволны по высоте поперечного сечения.

Разработанные зависимости, явтяясь многопараметрическими уравнениями поверхностей, позволяют их использовать не только для оптимизации существующих конструктивных решений, но и для определения новых возможностей и форм конструкций

Возможности разработанного метода предлагается разделить на три группы

1 геометрическая интерпретация технических конструкторских решений,

2 направленный поиск лучших с конструкторской, технологической и эстетической точек зрения форм элементов, представленных на основе конструктивной геометрии методами математического моделирования,

3 выявление функциональных зависимостей между параметрами элементов (геометрическими, конструктивными, физическими и т д) и результатами статических и динамических расчетов

В четвертой главе приведена методика расчета и анализа двутавровых конструкций с гофрированной стенкой с применением МКЭ и результаты сравнительного конструкционного анализа металлических двутавровых балок с традиционно - и переменно-гофрированной синусоидальным профилем стенкой, а также со стенкой, традиционно - гофрированной трапецеидальным профилем

В предлагаемой методике приводится последовательность действий, необходимых для компьютерного конечно-элементного расчета конструкций с гофрированной (в тч и с переменно-гофрированной) стенкой, описывается специфика примыкания в расчетной модели гофрированной стенки и поясов, указывается диапазон их рациональной дискретизации конечными элементами Методика снабжена описанием конечных элементов и их влияния на точность расчета, а также специфических особенностей расчета конструкций с гофрированной стенкой, например, эффекта сингулярности Приводятся критерии эффективности традиционно- и переменно- гофрированных стенок изгибаемых балок, т е абсолютные и относительные значения компонентов НДС, устойчивости и металлоемкости

На основе разработанной методики, учитывающей возможности современных компьютерных программ, с использованием описанного в третьей главе метода проведены многовариантные численные эксперименты по характерным расчетным схемам

Результаты расчета по МКЭ подтвердили подверженность пояса переменному изгибу (меняется направление и величина) в своей плоскости под влиянием усилий, передающихся от гофров

При натр ужении конструкции с формированием зоны чистого изгиба характер распределения напряжений в традиционно-гофрированной стенке указывает на зону в середине пролета, где нормальные и касательные напряжения близки к нулю (рис 6, а) В переменно-гофрированной стенке

данная зона существенно меньше по площади и фактически расположена по границе смены знаков напряжений (рис. 6, б). Данное обстоятельство подтверждает теоретические предположения о рациональной концентрации гофрированных участков стенки в зонах, значительных поперечных сил, и об использовании, тем самым, потенциальных возможностей гофрированных элементов.

Из распределения и концентрации нормальных напряжений сх в переменно-гофрированной стенке, установлено, что в средней части пролета (в зоне чистого изгиба), где наблюдается существенное затухание гофрирования и, как следствие, увеличение жесткости поперек гофров, (участок гладкой стенки в случае комбинированных конструкций) стенка в большей степени вовлекается в работу поясов.

Деформативность сравниваемых конструкций в плоскости стенки зависит от вида загружения и при равных условиях практически одинакова.

а)

Рис. 6 Изополя касательных напряжений

а - традиционно-гофрированной стенки изгибаемой двутавровой бапки; б - переменно-гофрированной стенки изгибаемой двутавровой балхи.

Формы потери устойчивости данных конструкций схожи и подтверждают правильность выбора аппроксимирующей функции, изменяющейся по синусоидальному закону', при определении критических значений напряжений во второй главе. Общая потеря устойчивости балок, наступающая вследствие потери «местной» устойчивости стенки, наблюдшись, как правило, при выпучивании гофров на опорном участке, т. е. в зоне наивысших поперечных сил.

Исследовано изменение коэффициента устойчивости рассматриваемых конструкций в диапазоне гибкостей стенки 320-640 (рис, 7).

По результатам численных экспериментов установлено, чго предложенное усовершенствованное конструктивное решение переменно-

гофрированных элементов, позволяет уменьшить расход металла на балку на 8-9% и более (рис. 8).

Исследования проводились параллельно на двух КПК конечно-элементного расчета Scad и Лира с целью оценки результатов используемого в КПК Scad многофронтального метода факторизации матриц МКЭ в сравнении с результатами по КПК Лира, в котором реализован симбиоз ленточного метода Гаусса, метода Гаусса с учетом «небоскребной структуры», фронтального метода и метода «спринт». Установлено, что разница в значениях нормальных и касательных напряжений для традиционного гофрирования не превышает 0.58%, для переменного гофрирования - 1.82%. Различия в величине линейных деформаций для конструкций с традиционно-гофрированной стенкой - 0.12%, с переменно-гофрированной - 0.13%. Расхождения в величине коэффициента устойчивости соответственно 0,02% и 0.49%.

На основании проведенного анализа результатов расчета отмечено, что данные КПК дают схожие результаты, с несущественным расхождением, что подтверждает верность теоретических предпосылок расчета, эффективность предлагаемого конструктивного решения, возможность использования многофронтального метода.

2 3 15

Толщин? стенки, мм

Рис. 7. Изменение коэффициента устойчивости конструкций при нагружении с зоной чистого изгиба, протяженностью а - 176; б - Ш; в -1_*2/3;

(ТГ - традиционное гофрирование стенки; ПГ - переменное гофрирование стенки; I - пролет балочной конструкции).

ч ь 1 ; 1 1

1; Г / (

— — I 1 ! (

г

25 27 3 33 36

1 <

! 1 Н Г" 1 1 ----

— ! I м г ! I' J 1_ 1 г I ■ 1 *1 '

1 - - - _ -

25 27 3 33 36 за 4 43 | 46

Рис 8 стенкой толщин 1*2/3

Эффективность (в %) материалоемкости изгибаемой балки с переменно-гофрированной по сравнению с аналогичной балкой с традиционно - гофрированной стенкой в диапазоне стенки 2 5-4 6 мм при нагружении с зоной чистого изгиба, протяженностью а - 1_УЗ, б -

Проведенный анализ НДС переменной и традиционной форм гофрирования позволил установить, что

а) балка с переменно-гофрированнои стенкой устойчивее аналогичной с традиционно-гофрированной стенкой при равных геометрических характеристиках и параметрах сечений на 7% и при этом экономичнее на 2,5%,

б) касательные напряжения в стенке могут быть с приемлемой

точностью определены по формуле г5 = ^ ,

Л гл

где Ог - поперечное усилие, Ь - высота пластинки, равная высоте поперечно1 о сечения балки, - толщина стенки

Для определения влияния конфигурации профиля гофров проведено исследование НДС и устойчивости изгибаемых прямолинейных двутавровых стержней с трапецеидально- гофрированной стенкой

Как видно из полученных по результатам данного исследования графиков (рис 9), трапецеидальный профиль гофров наиболее эффективен при относительно малой гибкости стенки и при нагружении конструкции с формированием зоны чистого изгиба протяженностью 11*2/3, т е при приложении сосредоточенной нагрузки вблизи опор

Как и в случае волнового гофрирования стенки наблюдается эффект, который предлагается назвать «порогом устойчивости», предположите тьно вызванный «местной» по ¿ерей устойчивости стенки

Из сопоставления результатов расчетов, сделано заключение, что в стенке, традиционно-гофрированной трапециевидным профилем, напряжения распределяются не так равномерно, как в аналогичной волнистой стенке Имеются локализованные в сторонах трапеции гофров участки более высокой интенсивности напряжений. Общий уровень напряжений несколько выше, чем в волнистой стенке

2 3 4 5

Толщина стенки, мм

Рис. 9. Изменение коэффициента устойчивости конструкций при нагружении с зоной чистого изгиба, протяженностью: а - 1/6; б - 173; в ~ 1-*2/3

Деформативность балки с трапецеидально-гофрированной стенкой мало отличается от балки со стенкой, гофрированной волнистым профилем. Форма потери устойчивости напоминает волновое гофрирование, однако, опорные участки стенки менее склонны к потере устойчивости.

При принятых в работе соотношениях геометрических параметров гофров и схемах загружения балка с трапециевидным профилем гофров стенки устойчивее балки с волнистой стенкой в 1.2-1.6 раза, но на 15% более металлоемка.

Сформулирован критериальный подход к оценке точности результатов расчета конструкций с применением МКЭ, реализуемым ка ЭВМ. В данном подходе описаны причины наиболее распространенных ошибок при использовании компьютерной реализации МКЭ, а также рекомендации, приемы и подходы для минимизации и ликвидации ошибок и погрешностей расчета.

В пятой главе предложен критериальный подход к области применения гофрированных элементов, приведены система общих рекомендаций по их оптимальному проектированию, а также совершенствования существующих способов производства.

Критериальный подход основан на рациональном выборе конструкций и их видов, исходя из поставленных условий эксплуатации. В данном подходе демонстрируется возможность усовершенствования имеющихся конструктивных решений быстромонтируемых зданий из легких металлических конструкций, транспортных галерей, колонн промзданий и крановых эстакад на основе внедрения в их несущие конструкции традиционно- и переменно-

гофрированных элементов, а также двутавровых конструкций с комбинированной стенкой Таким образом, предлагается формировать систему несущих конструкций так, чтобы она наилучшим образом отвечала поставленным критериям, учитывая при этом унифицированность составляющих элементов Рассмотрено как применение предлагаемого в данной работе переменно-гофрированного решения стенки позволит уменьшить характерные недостатки существующих конструктивных решений

В рамках критериально! о подхода предлагается рассмотреть возможность создания универсальных наборных конструкций, которые в зависимости от поставленных условий выполняют роль различных функциональных элементов В приведенной системе общих рекомендаций по оптимальному проектированию показано, что оптимизация размеров гофрированных элементов неотъемлемо связана с параметризацией геометрии и, следовательно, с ее аналитическим описанием Представленные в третьей и четвертой главах метод и методика, объединяют основные составляющие оптимизации размеров, а именно геометрическое моделирование и расчет конструкций с применением МКЭ Кроме того, при изменении параметров модели аналитическая зависимость остается прежней в силу фиксированной топологии этемента Таким образом, сформирован логический тандем подходов к вопросу оптимизации рассматриваемых элементов

На основе проведенных в четвертой главе исследований и с учетом рекомендаций по оптимизиции разработаны принципы рационального распределения материала гофрированных элементов

I принцип относительной жесткости,

II принцип равнопрочности,

III принцип равного напряжения сечения,

IV применение материалов с соответствующими физико-механическими свойствами,

V применение наиболее обоснованных конструктивных схем

Разработаны усовершенствования производственных способов (гибка штамповка, прокатка) изготовления строительных гофрированных элементов, позволяющих выпускать переменно-гофрированную продукцию Некоторые из предложенных схем по производству переменно-гофрированных элементов основаны на существующих производственных мощностях и для своей практической реализации не требуют существенных капиталовложений

Рассмотрены возможности изютовления как волнистого, так и трапецеидального и треугольного профилей гофров, односторонних и двусторонних относительно плоскости гофрируемого элемента

Освещены вопросы назначения размеров заготовки, радиусов гибки, приведены соответствующие технологические рекомендации по производству Описаны характерные достоинства, недостатки и особенности рассмотренных способов производства

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 Предложен новый вид составных тонкостенных металлических конструкций - комбинированные конструкции, типом которых можно считать двутавровые конструкции с переменно-гофрированными, неподкрепленными стенками

2 Уточнены коэффициенты в выражениях критических касательных напряжений стенки и сжатого пояса Подтверждены выражения для определения нормальных критических напряжений стенки и сжатого пояса Разработаны графики изменения коэффициентов, влияющих на напряженное состояние элементов конструкции с гофрированной стенкой и зависящих от их геометрических параметров, благодаря чему появляется новая возможность совершенствования конструктивных решений и облегчается оценка несущей способности элементов и конструкции в целом

3 Разработан обобщенный метод компьютерного моделирования гофрированных и иных элементов (с учетом фактической геометрии)

4 Предложены новые конструктивные формы и решения стенок балок, колонн, арочных конструкций и опорных контуров, куполов, шатровых и складчатых поверхностей покрытий, а также других элементов схожей геометрии

5 Разработана методика расчета и анализа конструкций с гофрированными элементами с применением МКЭ

6 По результатам проведенных численных экспериментов и сравнительного анализа НДС двутавровых изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки, установлено, что балка с переменно-гофрированной стенкой эффективнее по металлоемкости на 8-9% при характерных нагружениях с образованием зоны чистого изгиба протяженностью одна треть и две трети пролета

7 По результатам проведенных исследований устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой разработаны графики, иллюстрирующие изменение коэффициента устойчивости (критического параметра нагрузки) в зависимости от гибкости стенки и показан эффект, названный «порогом устойчивости» конструкции

В По результатам проведенных численных экспериментов определены оптимальные диапазоны гибкостей переменно-гофрированных стенок двутавровых балок, нагруженных по рассмотренным в работе схемам

9. Из сопоставления результатов расчетов НДС и устойчивости рассматриваемых конструкций по МКЭ с применением многофронтального метода и метода Гаусса, реализованных соответственно в КПК Scad и Лира, установлено, что данные методы дают расхождения в значениях мембранных напряжений в среднем 0 9%, в значениях коэффициентов запаса устойчивости в среднем 0 3%

10 Подтверждены допущение исключения работы традиционно-гофрированной стенки поперек гофров, постоянство касательных напряжения по высоте сечения стенки и возможность их определения но известной формуле Установлено, что при трапецеидальном гофрировании стенки уровень напряжений выше, чем в волнистои стенке в среднем на 15% Определены формы потери устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой

11 Предложен критериальный подход к области рационального применения гофрированных элементов в строительстве

12 Предложена обобщенная система рекомендаций оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами

13 Предложены совершенствования существующих способов производства гофрированных элементов, представляющие возможность получения переменного гофрирования

Основные результаты диссертационной работы отражены в следующих публикациях:

1 Рыбкин И С Совершенствование конструктивных форм и оптимизация расчета металлических элементов с гофрированной стенкой // Сб Четвертой международной (Девятой межвузовской) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М ГОУ ВПО МГСУ, 2006 С 49-53

2 Рыбкин И С Применение тонкостенных металлических конструкций при мелиорашвном и сельском строительстве // Мелиорация и водное хозяйство №2 М ,2007 С 23-25

3 Рыбкин И С О критериях оценки точности метода конечных элементов при расчетах гофрированных конструкций // Материалы Пятой Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство материалы, конструкции, технологии» Братск ГОУ ВПО «БрГУ», 2007 С 35-39

4 Рыбкин И С Аналитическое описание геометрии гофрированных элементов П Научные труды Юбилейной Десятой международной

межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М ГОУ ВПО МГСУ, 2007 С 113-118

5 Рыбкин И С Анализ напряженно-деформированного состояния гофрированных изгибаемых металлических элементов // Научные труды Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М ГОУ ВПО МГСУ, 2007 С 118-122

6 Рыбкин И С Пути совершенствования конструктивных форм тонкостенных двутавровых элементов (на примере гофрирования) // Научные труды Юбилейной Десятой международной межвузовской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М ГОУ ВПО МГСУ, 2007 С 122-124

7 Соболев Ю В, Рыбкин И С Конструкционный анализ гофрированных металлических изгибаемых элементов // Вестник МГСУ № 3 М ГОУ ВПО МГСУ, 2007 С 144-148

8 Рыбкин И С К вопросу оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами // Материалы Шестой Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство материалы, конструкции, технологии» Братск ГОУ ВПО «БрГУ», 2008 С 18-23

9 Рыбкин И С Компьютерное математическое моделирование гофрированных и иных элементов схожей геометрии // Промышленное и гражданское строительство, №4, М :2008 С 53-54.

10 Рыбкин ИСК определению значений критических напряжений при оценке устойчивости сжатого гюяса двутавровых металлических балок с гофрированной стенкой // Сб докладов Международной научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава института строительства и архитектуры М ГОУ ВПО МГСУ, С 50-55

П.Рыбкин И С Совершенствования способов изготовления гофрированных элементов // Научные труды Шестой международной (Одиннадцатой межвузовской) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство-формирование среды жизнедеятельности» М ГОУ ВПО МГСУ, 2008 С 75-80

КОПИ-ЦЕНТР св 7 07 10429 Тираж 100 экз тел 8-495-185-79-54 г Москва, ул Енисейская, д 36

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОЙ РАБОТЫ.

1.1 Особенности работы двутавровых конструкций с гофрированной стенкой.

1.2 Развитие методов расчета конструкций с гофрированной стенкой.

1.3 Мировой опыт использования конструкций двутаврового поперечного сечения с гофрированной стенкой в строительной индустрии.

1.4 Цель и задачи исследования.

1.5 Выводы по главе.

Глава 2. УСТОЙЧИВОСТЬ ЭЛЕМЕНТОВ ДВУТАВРОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ С ГОФРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ.

2.1 Предпосылки к расчету.

2.2 «Общая» устойчивость стенки.

2.2.1 Определение значения критических нормальных напряжений.

2.2.20пределение значения критических касательных напряжений.

2.3 «Местная» устойчивость стенки.:.

2.3.1 Определение значения местных критических нормальных напряжений.

2.3.2 Определение значения местных критических касательных напряжений.

2.3.3 «Местная» устойчивость стенки за пределами упругости.

2.3.4 Закритическая деформация гладкостенных, подкрепленных отсеков комбинированных конструкций.

2.3.5 Закритическая деформация гладкостенных, подкрепленных отсеков при сдвиге.

2.4 Устойчивость сжатого пояса.

2.4.1 Определение значения критических нормальных напряжений.

2.4.2 Определение значения критических касательных напряжений.

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. КОМПЬЮТЕРНОЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ГОФРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ И ЭЛЕМЕНТОВ СХОЖЕЙ ГЕОМЕТРИИ.

3.1 Основные положения.

3.2 Стенки арочных конструкций.

3.3 Стенки балочных конструкций и колонн.

3.4 Купольные, складчатые, шатровые и иные поверхности покрытий и других элементов.

3.5 Выводы по главе.

Глава 4. КОНСТРУКЦИОННЫЙ АНАЛИЗ ГОФРИРОВАННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

4.1 Основные положения.

4.2 Сравнительный анализ НДС изгибаемых двутавровых балочных конструкций с гофрированной стенкой.

4.3 Исследование НДС и устойчивости двутавровых балок с трапецеидально гофрированной стенкой.

4.4 О критериях оценки точности МКЭ.

4.5 Выводы по главе.

Развитию научно-технического прогресса в строительной области способствует повышение эффективности использования материала в несущих конструкциях. Задача снижения материалоемкости может быть решена благодаря предложениям по усовершенствованию известных, а также разработке новых конструктивных решений и методов расчета с учетом возросших требований по наибольшему экономическому эффекту и широким возможностям численных методов.

Высокую эффективность и рациональность использования в качестве частей несущих металлических конструкций показали гофрированные элементы благодаря относительно высокой изгибно-крутильной жесткости и устойчивости.

Конструкции с гофрированными элементами (преимущественно стенкой) получили широкое распространение в качестве несущих рамных каркасов (колонн и ригелей), стропил, прогонов зданий различного назначения, бортовых опорных элементов вантовых и мембранных покрытий, а также бункерных балок.

Конкурируя по металлоемкости со сквозными конструкциями (например, фермами), двутавровые конструкции с гофрированной стенкой, являясь сплошностенчатыми, обладают рядом характерных преимуществ, такими как:

• относительная простота изготовления и монтажа;

• высокая сохранность при транспортировании;

• высокая эксплуатационная надежность;

• меньшая склонность к хрупкому разрушению;

• возможность совмещения ограждающих и несущих функций;

• относительно малая оптимальная высота поперечных сечений, обеспечивающая соответственно экономию стеновых ограждений, расходов энергии и топлива.

В строительной практике в настоящее время распространены двутавровые металлические конструкции со стенкой, поперечно-гофрированной односторонними или двусторонними гофрами (имеются конструкции с наклонными гофрами стенок) преимущественно волнистого, треугольного или трапецеидального профиля с постоянными по длине конструкции шагом и высотой полуволны гофров.

В настоящей работе рассматривается новая конструктивная форма двутавровых металлических конструкций с переменно-гофрированной стенкой. Данное решение, сочетая в себе все преимущества традиционного гофрирования, обладает меньшей металлоемкостью.

Область исследования гофрированных элементов в строительной индустрии еще сравнительно молода. Основные научные разработки проводились в 60 - 70 годах прошлого века. Обоснованность гофрированных элементов в качестве частей строительных несущих конструкций, а также научно-методологические основы данного вопроса заложили такие ученые как Е. Зейдель, В.Н. Горнов, Г.А. Аржемачев, Я.И. Ольков, А.Н. Степаненко и др.

Исследования характерных особенностей гофрированных элементов базируются на фундаментальных разработках в теориях анизотропных пластин, устойчивости, механики деформированного твердого тела, численных методов.

Недостаток современных методик и рекомендаций проектирования строительных металлоконструкций с гофрированными элементами (прежде всего в отечественных строительных нормах [75, 76, 77]) служит сдерживающим фактором более широкого внедрения таких конструкций. В связи с этим, решение вопросов, связанных с разработкой и обоснованием новых конструктивных форм, исследованием картины напряженно-деформированного состояния (НДС) и устойчивости, а также уточнением имеющихся и разработкой новых методик расчета гофрированных элементов и конструкций, содержащих такие элементы, позволит повысить эффективность строительных металлоконструкций. Решению данных вопросов и посвящена настоящая диссертационная работа.

Научная новизна работы состоит в следующем:

• разработан и исследован новый тип двутавровых металлических балок с переменным гофрированием стенки;

• усовершенствованы известные и предложены новые решения конструкций с гофрированными элементами;

• развит метод оценки устойчивости элементов конструкций с гофрированной стенкой;

• разработан обобщенный метод моделирования гофрированных элементов и других элементов схожей геометрии;

• разработана методика расчета и анализа изгибаемых конструкций с гофрированной стенкой с применением метода конечных элементов (МКЭ);

• исследованы вопросы НДС и устойчивости балок с традиционно -и переменно - гофрированной стенкой для характерных схем нагружения;

Практическая значимость работы заключается в следующем:

• на основе проведенных исследований разработаны рекомендации по проектированию конструкций с гофрированными элементами;

• разработаны усовершенствования различных способов производства гофрированных изделий;

• предложены принципы и обоснованы предпосылки рационального конструирования двутавровых балок с гофрированной стенкой традиционного и переменного решений;

• предложен критериальный подход к области эффективного применения гофрированных элементов.

Внедрение исследований: основные результаты исследований используются в практике проектирования промышленных объектов с несущими металлическими конструкциями с гофрированной стенкой Проектным институтом №2. Акт внедрения №981/22 от 18 июля 2007 года приводится в приложении.

Достоверность полученных результатов основывается на использовании апробированных методов теории тонкостенных стальных стержней и теории устойчивости пластин; сопоставлении результатов расчетов с теоретическими и экспериментальными исследованиями других авторов; а также на многочисленных примерах компьютерного моделирования работы конструкций с применением МКЭ.

Апробация работы: основные положения и результаты диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство - формирование среды жизнедеятельности» (Москва, 2006, 2007 и 2008 гг.); заседаниях кафедры «Металлические конструкции» ГОУВПО МГСУ (2005, 2006, 2007 гг.).

Публикации: по материалам исследований опубликовано 11 печатных работ, в том числе 3 статьи в журналах из Перечня ВАК РФ.

Объем и структура диссертационной работы: диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и приложений. Объем работы составляет 195 листов машинописного текста, в т.ч. 21 таблица и 77 рисунков, список литературы включает 105 наименований.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Особенности работы гофрированных элементов и развитие методов их расчета позволяют предложить новый вид составных тонкостенных металлических конструкций - комбинированные конструкции, типом которых являются двутавровые конструкции с переменно-гофрированными, неподкрепленными стенками с концентрацией гофров в местах относительно интенсивных поперечных сил и расположением гладкостенных участков в местах преобладающего влияния изгибающих моментов (с целью дополнительного включения стенки в работу на изгиб в своей плоскости).

2. При условном рассмотрении гофрированной стенки как ортотропной пластинки, получены выражения критических касательных напряжений с учетом третьего приближения. Подтверждены выражения для определения нормальных критических напряжений стенки и сжатого пояса. Уточнены коэффициенты выражений критических касательных напряжений стенки и сжатого пояса. Разработаны графики изменения коэффициентов, влияющих на напряженное состояние элементов конструкции и зависящих от их геометрических параметров, благодаря которым появляется новая возможность совершенствования конструктивных решений и облегчается оценка несущей способности элементов и конструкции в целом.

3. Разработан обобщенный метод компьютерного моделирования гофрированных и иных элементов (с учетом фактической геометрии).

4. С использованием разработанного метода созданы новые конструктивные формы и решения стенок балок, колонн, арочных конструкций и опорных контуров, куполов, шатровых и складчатых поверхностей покрытий, а также других элементов схожей геометрии.

5. Разработана методика расчета и анализа конструкций с гофрированными элементами с применением МКЭ. Данная методика сопровождается системой рекомендаций и критериальным подходом к оценке точности результатов расчета.

6. С использованием разработанных метода моделирования и методики расчета проведены численные эксперименты и сравнительный анализ НДС и устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционным и переменным гофрированием стенки. По результатам данных исследований установлено, что балка с переменно-гофрированной стенкой эффективнее по металлоемкости на 8-9% при характерных нагружениях по заданным схемам с образованием зоны чистого изгиба протяженностью одна треть и две трети пролета.

7. Проведено исследование устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой, а также со стенкой, традиционно-гофрированной трапецеидальным профилем. По результатам исследования разработаны графики, иллюстрирующие изменение коэффициента устойчивости (критического параметра нагрузки) в зависимости от гибкости стенки и показан эффект, названный «порогом устойчивости» конструкции.

8. По результатам проведенных численных экспериментов определены оптимальные диапазоны гибкостей переменно-гофрированных стенок двутавровых балок, нагруженных по рассмотренным в работе схемам.

9. Установлено, что многофронтальный метод и метода Гаусса, реализованные соответственно в КПК Scad и Лира, дают близкие результаты и применимы для расчетов конструкций с гофрированными элементами.

10. Анализ результатов проведенных расчетов подтвердил, что степень работы традиционно- гофрированной стенки поперек гофров мала и может не учитываться. Также подтверждено, что касательные напряжения по высоте сечения стенки можно считать условно постоянными, а их величину определять по известной формуле. Установлено, что при трапецеидальном гофрировании стенки уровень напряжений выше, чем в волнистой стенке в среднем на 15%. Определены формы потери устойчивости двутавровых изгибаемых балок с традиционно- и переменно-гофрированной стенкой; на основе анализа данных форм подтверждена дифференциация устойчивости стенки на «местную» и «общую».

11. Предложен критериальный подход к области рационального применения гофрированных элементов в строительстве, благодаря которому возможно повысить эффективность различных конструктивных решений зданий из легких металлических конструкций комплектной поставки, транспортных галерей, крановых эстакад и др.

12. Предложена обобщенная система рекомендаций оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами.

13. Предложены совершенствования существующих способов производства гофрированных элементов, представляющие возможность получения переменного гофрирования.

Глава 5. ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

5.1 Критериальный подход к области применения гофрированных элементов в строительстве.

Перспектива освоения порядка 30% общего объема строительства легкими металлическими конструкциями (основываясь на мировой практике) диктует формирование критериального подхода как к унифицированным, типизированным конструкциям, поставленным в серийное производство, так и к новым конструктивным решениям.

Критериальный подход основывается прежде всего на рациональном выборе конструкций, их видов и типов, исходя из поставленных условий эксплуатации, которые, в свою очередь, зависят от области применения и назначения зданий, сооружений и их частей.

Развитию и совершенствованию сравнительно молодой области легких металлических конструкций способствует поиск, создание и апробация новых конструктивных форм и систем.

Легкие металлические конструкции часто применяются в зданиях комплектной поставки, основными критериями выбора которых являются:

• Пролет (18, 24,30 м);

• Высота (до 18 м); гу

• Постоянная нагрузка на покрытие (50-140 кг/м );

• Расход металла (50-100 кг/м2);

• Возможность применения подвесных (до 5 т) и мостовых (до 50 т) кранов;

• Назначение (целевые и многоцелевые).

Следует отметить, что критериями выбора типа конструкции являются: экономия металла; уменьшение трудозатрат на изготовление и монтаж; затраты на возмещение потерь тепла; затраты на вентиляцию; приведенные затраты на здание в целом.

Проведенный сравнительный анализ технико-экономических показателей производственных зданий из легких металлических конструкций (JIMK) и железобетонных конструкций показал [39], что:

• Расход стали для зданий из JIIV1K в 1.7 - 2.4 раза выше;

• Трудоемкость изготовления и монтажа снижена на 20-30%;

• Затраты труда на изготовление меньше в 2-3 раза;

• Время монтажа сокращено на 25-40%;

• Масса зданий меньше в 3-5 раз;

• Годовые эксплуатационные расходы на отопление в 1.5 раза меньше, чем для зданий с однослойными легкобетонными панелями стен и железобетонными плитами покрытий с минераловатным утеплителем;

• Народохозяйственный эффект в ценах 1984 г. составляет в

2 2 центральных районах до 6 руб/м , в восточных - до 11 руб/м здания.

Говоря о совершенствовании конструктивных систем JIMK (прежде всего из гофрированных элементов), необходимо, чтобы новые проектные решения превосходили по ключевым техническим возможностям существующие серии. В частности в таблице 5.1 указываются технические возможности зданий из конструкций типа «Алма-Ата» (балочные и рамные схемы).

1. Ааре И.И. Расчет и проектирование тонкостенных металлических балок. // Труды Таллинского политехнического института. Серия А. № 259. 1968. С. 29-58.

2. Авдонин А.С. Прикладные методы расчета оболочек и тонкостенных конструкций. //М.: Машиностроение. 1969.

3. Агапов В.П. Метод конечных элементов в статике, динамике и устойчивости пространственных тонкостенных подкрепленных конструкций. // М.: АСВ. 2000. -152 с.

4. Аржаков В.Г. Расчет и конструирование облегченных балочных конструкций. Якутск. Изд. ЯГУ. 1990.

5. Аржемачев Г.А. Балки с волнистыми стенками. // Промышленное строительство. 1963. №4. С. 54-56.

6. Аржемачев Г.А. Об устойчивости волнистых стенок двутавровых балок при действии касательных усилий. // Строительство и архитектура. 1968. №5. С. 44-46.

7. Аржемачев Г.А. Исследование сварных стальных балок с волнистыми стенками. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Новосибирск. НИСИ. 1969. -16 с.

8. Балабух Л.И. Устойчивость фанерных пластинок. // Техника воздушного флота. 1937. №9. С. 19-38.

9. Басов К.А. ANSYS: справочник пользователя. // М.: ДМК Пресс. 2005. --640 с.

10. Басов К.A. ANSYS и LMS Virtual Lab. Геометрическое моделирование. // М.: ДМК Пресс. 2006. 240 с.

11. П.Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров А.В. Проектирование металлических конструкций. // Спецкурс. Л.: Стройиздат. 1990. С. 46-59.

12. Бирюлев В.В., Остриков Г.М., Максимов Ю.С., Барановская С.Г. местное напряженное состояние гофрированной двутавровой балки при локальной нагрузке. // Изв. вуз. «Строительство и архитектура». 1969. №11. С. 13-15.

13. Блейх Ф. Устойчивость металлических конструкций. // М.: Гос. Издат. физ.-мат. лит. 1959. 544 с.

14. Бономанко С.Б., Труль В.А. Испытание двутавровых балок с горизонтально гофрированной стенкой. // Металлические конструкции и испытание сооружений. Л.: ЛИСИ. 1980. С. 98-105.

15. Бономанко С.Б. Напряженно-деформированное состояние и устойчивость металлических балок с горизонтально гофрированной стенкой при изгибе. Автореф. дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. Л.: ЛИСИ. 1983. -16 с.

16. Васильев А.Л. и др. Прочные судовые гофрированные переборки. // Л.: Судостроение. 1964. -315 с.

17. Воблых В.А., Кириленко В.Ф. К вопросу устойчивости гофрированных пластинок при сдвиге. // Строительная механика и расчет сооружений. 1969. №5. С. 41-43.

18. Вольмир А.С. Устойчивость деформируемых систем. // М.: Наука. 1967 С. 338-350; С. 47-53.

19. Воронель Д. А. Деревянные конструкции заводского изготовления. // Серия «Строительные конструкции». №1. 1992. М.: ВНИИНТПИ. С. 319.

20. Глозман М.К., Локшин Ш.З. Теоретическое и экспериментальное исследование балок с гофрированными стенками. // Труды ЛКИ. В. XXXV. 1962. С. 29-37.

21. Горев В.В., Филиппов В.В., Тезиков Н.Ю. Математическое моделирование при расчетах и исследованиях строительных конструкций: Учебное пособие. // М.: Высшая школа. 2002. -206 с.

22. Горнов В.Н. Новые тонкостенные конструкции. // Проект и стандарт. 1937. №3. С. 25-28.

23. Гороховин А.И. Особенности конструкции электрогидроимпульсных прессов. // Кузнечно-штамповочное производство. №8. 1976.

24. Дукарский Ю.М. Устойчивость гофрированных пластинок при чистом сдвиге. // Строительная механика и расчет сооружений. 1968. №2. С. 32-34.

25. Ильин В.П., Карпов В.В., Масленников A.M. Численные методы решения задач строительной механики. // М.: АСВ: СПб.: СПбГАСУ. 2005. -425 с.

26. Исаченков Е.И. Штамповка резиной и жидкостью. М. 1967.

27. Исаченков Е.И., Исаченков В.Е. Штамповка эластичной и жидкостной средой. //М. 1976.

28. Кан С.Н., Свердлов И.А. Расчет самолета на прочность. М.: Оборонгиз. 1940. С. 250-268.

29. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. // М.: Едиториал УРСС. 2004. -272 с.

30. Кириленко В.Ф., Воблых Г.А. Устойчивость гофрированных стенок крановых балок при действии сдвигающих сил. // Вестник машиностроения. 1968. №11. С. 14-15.

31. Кириленко В.Ф., Окрайнец Г.А. К вопросу расчета балок с гофрированной стенкой. // Строительство и архитектура. №4. 1969. С. 23-27.

32. Кириленко В.Ф., Беляев В.Ф., Емельянов Б.Н. Напряженно-деформированное состояние и расчет балок с вертикально гофрированной стенкой. // Строительная механика и расчет сооружений. №4. 1989. С. 12-15.

33. Концевой Е.М. Устойчивость гофр в стенках крановых балок конструкции ВНИИПТМАШ. // Исследования крановых металлоконструкций. В. 5(69). 1966. С. 3-24.

34. Лехницкий С.Г. Теория упругости анизотропного тела. // М.: «Наука». 1977.

35. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. // М.: Машиностроение. 1994.- 384 с.

36. Лозбинев В.Н. Напряженное состояние ортотропной пластинки. // Известия ВУЗов Машиностроение. №9. 1966. С. 45-48.

37. Марьин В.А. Устойчивость цилиндрической панели при сдвиге. // Расчет пространственных конструкций. В. 5. 1959. С. 485-501.

38. Металлические конструкции. Т. 1. Общая часть. Под общ. ред. Кузнецова В.В. // М.: АСВ. 1998.- 576 с.

39. Металлические конструкции. Т. 2. Строительные конструкции зданий и сооружений. Под общ. ред. Кузнецова В.В. // М.: АСВ. 1998. -512 с.

40. Металлические конструкции. В 3 т. Т. 1. Элементы конструкций. Под ред. Горева В.В. М.: Высшая школа. 2004. -551 с.

41. Михайлова Т.В. О влиянии периодических закрытых гофров стенки балки на ее несущую способность. // Разработка и исследование стали для металлических конструкций. Сборник научн. тр. ЦНИИПСК. М.: ЦНИИПСК. 1988. С. 158-162.

42. Мурашко Н.Н., Соболев Ю.В. Металлические конструкции производственных сельскохозяйственных зданий. // Минск. Вышэйшая школа. 1987.- 278 с.

43. Огневой В.Г. Исследования работы стальных колонн одноэтажных промышленных зданий с тонкой гофрированной стенкой. // Дис. на соиск. уч. ст. канд. техн. наук. ВоронежГАСА. 1994.

44. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. Поисковые исследования рациональной конструкции тонкостенных балок. // Исследования по строительным конструкциям. Свердловск: УПИ. 1969. С. 89-95.

45. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. О расчете металлических балок с гофрированной стенкой. // Известия ВУЗов «Строительство и архитектура». №10. 1972. С. 12-15.

46. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. О методике и результатах испытания гофрированных металлических балок. // Материалы к 3 Всесоюзной конференции по экспериментальным исследованиям инженерных сооружений. Свердловск. 1973. С. 70-76.

47. Ольков Я.И., Степаненко А.Н. и др. Теоретические и экспериментальные исследования балок с тонкими волнистыми стенками. // Легкие металлические конструкции. Свердловск: УПИ. 1975. С. 159-171.

48. Остриков Г.М., Максимов Ю.С. Легкие стальные конструкции покрытий производственных зданий: эксперсс-информация. // Серия Промышленное строительство. №1. Алма-Ата: КазЦНТИС Госстроя КазССР. 1987. -41 с.

49. Остриков Г.М., Максимов Ю.С., Долинский В.В. Исследование несущей способности стальных двутавровых балок с вертикально гофрированной стенкой. // Строительная механика и расчет сооружений. № 1. 1983. С. 68-70.

50. Остриков Г.М. Оптимальные конструктивные формы стальных двутавровых балок. // Известия ВУЗов Строительство и архитектура. № 5. 1988. С. 10-14.

51. Остриков Г.М., Максимов Ю.С., Опланчук А.А. Каркасы зданий многоцелевого назначения из легких металлоконструкций типа Алма-Ата. // Комплектные здания из легких металлических конструкций. Тезисы докладов всесоюзного совещания. М.: ЦБНТИ. 1988. С. 33-34.

52. Погадаев И.К. Напряженно-деформированное состояние стальных балок с гибкими подкрепленными стенками и разработка методов их расчета и проектирования. Дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Тверь: ТГТУ. 1994. 408 с.

53. Погорелов В.И. Строительная механика тонкостенных конструкций. // СПб.: БХВ Петербург. 2007.

54. Попов Е.А., Бочаров Ю.А. и др. Деформирование металла импульсным магнитным полем. // Кузнечно-штамповочное производство. №5, 6. 1966.

55. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Т. 2. Под ред. Биргера И.А., Пановко Я.Г. М.: Машиностроение. 1968. -463с.

56. Прочность, устойчивость, колебания. Справочник в трех томах. Т. 3. Под ред. Биргера И.А., Пановко Я.Г. М.: Машиностроение. 1968. -568с.

57. Романовский В.П. Справочник по холодной штамповке. // Ленинград: Машиностроение. 1979. -520 с.

58. Рыбкин И.С. Применение тонкостенных металлических конструкций при мелиоративном и сельском строительстве. // Мелиорация и водное хозяйство. №2. М. 2007. С. 23-25.

59. Рыбкин И.С. К вопросу оптимального проектирования конструкций с гофрированными элементами. // Материалы Шестой Межрегиональной научно-технической конференции «Строительство: материалы, конструкции, технологии». Братск: ГОУ ВПО «БрГУ», 2008. С. 18-23.

60. Рыбкин И.С. Компьютерное математическое моделирование гофрированных и иных элементов схожей геометрии. // Промышленное и гражданское строительство. №4. М. 2008. С. 53-54.

61. Секерж Зенькович Я.И. К расчету на устойчивость листа фанеры как анизотропной пластинки. // Труды ЦАГИ. В. 76. 1931 С. 184-189.

62. Семенов П.И. К расчету балки с* гофрированной стенкой. // Строительные конструкции. Киев: Будивельник. 1971. XVIII. С. 47-58.

63. СНиП 2.03.06-85. Алюминиевые конструкции. // Госстрой СССР. М.: ЦИТП Госстроя СССР. 1998. -48 с.

64. СНиП П-23-81*. Стальные конструкции. // Госстрой России. М.:ГУП ЦПП. 2003. -90 с.

65. СНип 2.01.07-85*. Нагрузки и воздействия. // Госстрой России. М.:ГУП ЦПП. 2003. -44 с.

66. СНиП РК 5.04-23-2002. Стальные конструкции. Нормы проектирования. // Астана. 2003. -118 с.

67. СНиП РК 5.04-08-2004. Пособие по проектированию стальных конструкций. Астана. 2005. -144 с.

68. Соболев Ю.В., Рыбкин И.С. Конструкционный анализ гофрированных металлических изгибаемых элементов. // Вестник МГСУ. № 3. М.: ГОУ ВПО МГСУ. 2007. С. 144-148.

69. Сортамент сварных двутавровых профилей обычного типа и с гофрированными стенками, соответствующие по прочностным характеристикам прокатным. РДС РК 5.04-24-2006. Астана. 2007. -21 с.

70. Стариков О.П. О расчете сварных двутавровых балок с гофрированной стенкой при плоском изгибе. Инженерные конструкции. // Краткое содерж. докл. к XXXI научн. конф. ЛИСИ. Л.: ЛИСИ. 1973. С. 42-47.

71. Стариков О.П. Экспериментальные исследования работы сварных двутавровых балок с вертикально гофрированной стенкой при изгибе Инженерные конструкции. // Краткое содерж. докл. к XXXI научн. конф. ЛИСИ. Л.: ЛИСИ. 1973. С. 48-54.

72. Степаненко А.Н. Прочность и устойчивость конструкций из двутавра с волнистой стенкой. // Дис. на соиск. уч. ст. докт. техн. наук. Хабаровск. ХГТУ. 2001.-242 с.

73. Тимошенко С.П., Войновский-Кригер С. Пластины и оболочки. // М.: Наука. 1966. 636 с.

74. Тимошенко С.П. Устойчивость стержней, пластин и оболочек. // М.: Наука. 1971. 807 с.

75. Тимошенко С.П. Курс теории упругости. // Киев: Наукова думка. 1972. -507 с.

76. Трофимов В.И., Дукарский Ю.М. К расчету гофрированных пластинок на сжатие. // Строительные алюминиевые конструкции. М.: Стройиздат. В. 3. 1967. С. 50-57.

77. Формалев В.Ф., Ревизников Д.Л. Численные методы. // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2004. 400 с.

78. Aumayr. Verformungs und Beulverhalten von Wellblechen unter reiner Schubbelastung, Diplomarbeit, ins. fur Stahlbau, Technische Universitat // Wien. 1992.

79. Bergmann S., Reissner H. Neuere probleme aus der flugzeugstatic. // Zeitschrift fur flugtechnik und motorluftschiffahrt (Z.F.M.). Bd. 20, helf 18. 1929. S. 475-481.

80. Corrugated web beam. Technical documentation. // Austria.: Zeman and Co Gesellschaft mbH. 1999.- 14 P.

81. Dean W.R. The elastic stability of a corrugated plate. //Proceedings of the royal society. Ser. A T, III. 1926. P. 144-167.

82. Easley. Buckling Formulas for Corrugated Metal Shear Diaphragms. // Journal of the Structural Division. ASCE. No ST 7. July 1975. pp. 14031417.

83. Kromm A. Stabilitat von homogenen platen und schalen im elastischen bereich. // Rinbuch der Luftfahrttechnik. Bd. 11. 1940. S. 3-26.

84. Lindner. Zur Bemessung von Trapezstegtragern. // Stahlbau 61. 1992. Helf 10. S. 311.

85. Marguerre К. Theorie der gekrummten platen drosser formanderung. // Jahrbuch 1939 der deutschen luftfahrtforschung. S. 1413-1414.

86. Marguerre K. Der einfuss der lagernugsbedingungen und -formgensuigkeit. // Jahrbuch 1940 der deutschen luftfahrtforschung. S. 1867-1872.

87. Roth well A. The buckling of shallow corrugated webs in shear. // The aeronautical journal of the royal aeronautical society. V. 72. 1968. P. 883886.

88. Southwell R.V., Skan S.W. On the stability under shearing forces of a flat elastic strip. // Proceedings of the royal Society. Ser. A. Bd. 105. 1924. P. 582-607.

89. Seydel E. Ausbeul Schublast rechteckiger platen. // Z.F.M. Bd. 24, helf 3. 1933. S. 78-83.

90. Seydel E. Uber das Ausbeulen von rechteckigen, isotropen oder orthogonalanisotropen platten bei schubbeanshruchung. // Ingenieur -Archiv. Bd. 4. Helf 2. 1933. S. 169-191.

91. Wagner H. Ebene Blechwandtrager mit dem dunnen stregblech. // Z.F.M. Bd. 20. 1929. Helf 11. S. 274-284. Helf 12. S. 306-314.

92. Wagner H. Sheet metal airplane construction. // Aeronautical engineer. Bd. 3. Helf 4.1931. S. 151-161.