автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями

На правах рукописи

ЗИНЬКОВА ВИКТОРИЯ АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ С БЕСФАСОНОЧНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Белгород - 2014

005548726

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова»

Научный руководитель:

Официальные оппонент:

доктор технических наук, профессор Юрьев Александр Гаврилович

Трещев Александр Анатольевич

доктор технических наук, профессор, ФГБОУ ВПО «Тульский государственный ун-т», заведующий кафедрой «Строительство, строительные материалы и конструкции»

Лунев Лев Алексеевич

доктор технических наук, профессор, Старооскольский технологический институт им. A.A. Угарова (филиал) ФГАОУ ВПО «Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС», профессор кафедры «Промышленное и гражданское строительство»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Защита состоится 2 июля 2014 года в 1430 часов на заседании диссертационного Совета Д 212.014.01 в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова по адресу: 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова, ауд. 242 г.к.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова и на сайте Ьир://ео5 att.bstu.ru/dis.

Автореферат разослан 29 апреля 2014 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просьба присылать по адресу 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46, БГТУ им. В.Г. Шухова.

Ученый секретарь

диссертационного совета ■"«Пл. Г.А. Смоляго

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Анализ динамики российских и европейских рынков позволил выявить рост инвестиций в строительство спортивно-оздоровительных комплексов, торгово-развлекательных и бизнес-центров, промышленных, складских и прочих объектов. Быстровозводимые и трансформируемые здания становятся популярными.

Перспективным научно-техническим направлением в развитии металлоконструкций является разработка и внедрение легких конструкций зданий и сооружений, позволяющих рационально использовать материальные ресурсы.

Массовое применение легких ферм из трубчатого профиля, обусловленное быстрыми темпами возведения в сочетании с высокой технологичностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью, минимальным количеством элементов и сварных швов, преимуществом при нанесении покрытий, увеличением освещенности, малым аэродинамическим сопротивлением, а также современным архитектурным дизайном, приводит к удешевлению строительства по сравнению с применением традиционных конструкций на 25-30%, а в некоторых случаях до 40 %.

Обладая указанными преимуществами, фермы не застрахованы от аварий, которые вызваны разрушением узлов. Это объясняется тем, что несущая способность трубчатых ферм в большей мере определяется прочностью их узловых соединений, представляющих сложную пространственную конструкцию с высоким градиентом напряжений. Как установлено, разрушение узлов связано со снижением пластических свойств стали при наличии значительных концентраций напряжений, возникающих вследствие передачи усилий от сжатого элемента решетки к растянутому через пояс фермы и сварные швы.

Упрощенные методики расчета ферм позволяют использовать идеализированные шарнирные сопряжения стержней в узле при определении продольных усилий в элементах ферм, если отношение высоты сечения элемента к его длине М< 1/10. При ином подходе ферма моделируется как рамная конструкция. При этом прочность узлов непосредственно зависит от их конструктивных решений и характера распределения в них внутренних усилий в сечениях элементов.

Реализация достоинств легких ферм из трубчатого профиля затруднена его особенностями и зависит от структуры узлов.

Исследование напряженно-деформированного состояния узловых соединений и проведение инженерных расчетов с допустимой точностью формально позволяют возможности современного программного

обеспечения. Вместе с тем, остается нерешенной проблема оптимального конструктивного решения узлов трубчатых ферм, позволяющего увеличить их прочность и уменьшить деформативность.

Целью настоящей работы является разработка и исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и обоснование нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.

2. Разработка и обоснование методики исследования, а также расчетной модели конструкции узла с учетом особенностей профиля и его функционирования в составе фермы.

3. Проведение численных исследований НДС трехмерных моделей традиционного и разработанного типов узлов и сопоставление их результатов.

4. Разработка конструкции испытательного стенда, методики проведения эксперимента с учетом специфики разработанного конструктивного решения узла. Сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований.

5. Оценка эффективности усовершенствованной фермы с разработанным типом узлов и определение области применения разработанных узловых соединений.

Методы исследования - численные, экспериментальные и теоретические, в том числе методы моделирования строительных конструкций, численные методы строительной механики и теории надежности металлических конструкций.

Научную новизну работы составляют:

- конструктивное решение узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов фермы;

- результаты численного исследования НДС трехмерных моделей бесфасоночных узлов;

- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей способности узлов трубчатых ферм;

- рекомендации по конструированию и расчету трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.

Обоснованность и достоверность научных исследований обеспечивается использованием общепринятых предпосылок современной теории расчета конструктивных систем с привлечением основных положений теории пластин и оболочек, а также сопоставлением полученных результатов численных и экспериментальных исследований.

Практическое значение работы. Разработанное решение узлового бесфасоночного соединения рекомендуется использовать при конструировании трубчатых ферм с треугольной решеткой без стоек при строительстве складских и торгово-развлекательных помещений, одноэтажных отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий без кранов. Разработан алгоритм формирования первичной информации и рекомендаций по расчету и конструированию трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.

Внедрение результатов работы обусловлено патентом на узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов ферм и использовано в проектном отделе металлоконструкций инженерного центра ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ» и в проектной компании ООО «Гарант-проект», а также отражено в учебном процессе кафедры строительства и городского хозяйства БГТУ им. В.Г. Шухова.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2005); на Международных научно-практических Интернет-конференциях «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» и «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (г. Одесса, 2013). В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика» БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации работы. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе две статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получен патент Российской Федерации на изобретение.

На защиту выносятся:

- новый тип конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы;

- результаты численного исследования НДС трехмерных моделей бесфасоночных узловых соединений;

- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей способности узлов трубчатой фермы;

- технико-экономическая оценка фермы с бесфасоночными узловыми соединениями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Вся работа изложена на 138 стр., включающих 8 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 155 наименований и четыре приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении обосновывается актуальность выбранной темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, отмечена научная новизна работы, указаны практическое значение и апробация работы, положения, выносимые на защиту, публикации, даны объем и структура диссертации, а также краткое ее содержание.

В первой главе приведен анализ современного состояния экспериментально-теоретических исследований трубчатых ферм с К-образными узловыми соединениями. Выявлено, что специфика деформирования трубчатых ферм обусловлена конструктивным решением их узловых соединений.

Этой проблеме посвящены обширные экспериментально-теоретические исследования, изложенные в работах ученых крупных научных институтов, таких как И.В. Левитанский, В.В. Севрюгин (ЦНИИПСК им. Мельникова), Б.С. Цетлин, Н.М. Шейнфельд, Б.Н. Решетников, B.C. Попов, А.Г. Иммерман, Г.В. Тесленко (ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко) Е.О. Патон, Б.Г. Абрикосов, С.А. Ильясевич, В.И. Новиков, Э.Ф. Гарф, A.B. Ковтуненко (Институт электросварки ИЭС им. Е.О. Патона), а также в работах Ю.В. Соболева, Ф. Вернера, Я. Брудка, Я.С. Левенсона, В.А. Галатенко, А.Г. Соколова, A.B. Мухина, Г.И. Кекса, И.Н. Чернова, В.М. Панченко, Д.И. Шермана, А.П. Мищенко, П.Б. Стегаева, В.А. Стабровского и др.

Широкий комплекс научных исследований трубчатых ферм выявил, что аварии ферм вызваны в основном разрушением их узловых соединений. Это можно объяснить отличием расчетной схемы фермы от ее фактического деформирования. Реальная конструкция фермы состоит из цельных поясов, к которым приварены элементы решетки, образующие узловые соединения.

Анализ известных конструктивных решений выявил, что бесфасоночные узловые соединения отражают сложный комплекс конструктивных и технологических факторов и имеют специфику деформирования, варьируемую исходя из их конструктивных решений. Если рационально разработать их конструктивную форму, то можно добиться повышенной экономичности и прочности всей конструкции фермы.

Анализ методов расчета, не доведенных до широкого внедрения вычислительных программных комплексов в расчетную практику, не содержит результатов, на основе которых можно было бы вести рациональное конструирование узлов трубчатых ферм. Появление

программ позволяет упростить данную задачу и использовать достижения ученых в применении МКЭ в расчетах пластин и оболочек для исследования узловых соединений ферм.

Совершенствование конструктивных форм узлов ферм представляет большой научный и практический интерес, а современные программные комплексы способствуют обстоятельным численным исследованиям.

На основании выполненного анализа известных экспериментально-теоретических исследований, научных публикаций сформулированы цель и задачи диссертационных исследований.

Вторая глава посвящена постановке и решению задачи по методике исследования узлов трубчатых ферм, а также разработке бесфасоночного узла, являющегося фрагментом усовершенствованной конструкции трубчатой фермы (рис. 1).

Рис. 1. Новая конструкция стропильной трубчатой фермы с бесфасоночными узлами

Приведены схемы ферм, имеющие треугольную решетку, которые могут быть сконструированы на основе разработанного типа узлового соединения (рис. 2).

а

УШк/\/\/

Рис. 2. Геометрические схемы ферм: а- с параллельными поясами, б -трапецеидальная; в - треугольная; г - пространственная

Предложенная методика нацелена на выявление влияния условий сопряжения стержней в узле, распределение усилий в стержнях фермы и дальнейшее исследование напряженно-деформированного состояния наиболее нагруженного узлового соединения.

Следует отметить, что в результате анализа типовой фермы было выявлено, что соотношение высоты сечения к к длине элементов / в ней равно 1/9, что несколько превышает 1/10-1/15 нормированного интервала. Условно жесткая связь обладает упругой податливостью, поэтому ферма не вполне попадает под категорию СНиП. Учитывая возможность наличия изгибающего момента, вызванного особенностями закрепления в узле, ферма рассчитывается из условия комбинирования шарнирного и жесткого признаков узловых соединений стержней.

Для полноты исследования, а также возможности оценки эффективности нового узлового соединения трубчатой фермы целесообразно рассматривать два варианта конструктивных решений узлов: традиционный, с непосредственным примыканием раскосов к поясу (рис.3, а), и новый, разработанный автором (рис.3, б).

Предложена и обоснована расчетная схема узла фермы (рис. 4), размеры поперечных сечений стержней и приведены их геометрические характеристики. Ввиду чрезвычайно малых значений поперечной силы и изгибающего момента ими можно пренебречь и рассчитывать узловое соединение только на осевые усилия, взятые из расчета ферм с жесткими узлами.

Рис. 3. Конструктивные решения К-образного бесфасоночного узла трубчатой фермы: а - традиционное; б-разработанное автором

^ 7

400 Ч/ГУ 1, 400

800

N пояса —>

Рис 4. Расчетная схема узлового соединения трубчатой фермы

Исследование напряженно-деформированного состояния узлов ферм ведется с привлечением вычислительного программного комплекса и на основе эксперимента.

В третьей главе изложены численные исследования напряженно-деформированного состояния трехмерных моделей узловых соединений, проведенные с помощью программного комплекса «Лира».

Расчет каждой модели выполняется на два типа нагружения. Согласно первому типу расчетная величина усилий в стержнях соответствует усилиям, установленным при расчете фермы в узле А (рис. 1). Узел характеризуется максимальными осевыми усилиями, которые могут возникать в поясе фермы. При этом разноименные раскосы имеют одинаковую величину усилий и являются менее напряженными: их усилия составляют 10% от поясных усилий.

Для второго типа нагружения выбран узел нижнего пояса с меньшими поясными усилиями, при этом усилия в раскосах незначительно отличаются от поясных.

Исследование проводилось на вариантах узлов, представленных на рис. 3. Каждая модель дискретизировалась в виде конечных элементов-пластин четырехугольной, треугольной и прямоугольной формы. Учитывая, что прочность сварного шва должна быть не ниже прочности основного металла, он моделировался в виде абсолютно жесткого тела, образованного группой узлов конечных элементов.

Расчет исследуемых трехмерных моделей выполняется путем определения интенсивности напряжений по четвертой (энергетической) теории прочности Губера-Мизеса-Генки, так как она наиболее приемлема для пластичных материалов, каким является обычная строительная сталь:

-¿♦('.-¿♦(ъ-'Л 0)

Получены схемы деформирования исследуемых узлов фермы (рис. 5), эпюры перемещений узлов конечных элементов стержней, а также эпюры напряжений.

Анализ результатов численных исследований позволил выявить места концентрации напряжений: в сечении пояса - под пятками раскосов, в сечении раскосов - в месте примыкания их к поясу, а также предпосылки для дальнейших экспериментальных исследований.

Изополя деформированного состояния узла, соответствующие второму типу нагружения качественно подобны изополям, присущим первому типу нагружения (рис. 5), но имеют другие количественные показатели.

и

Рис 5. Изогюля деформированного состояния узла фермы, соответствующие 1-му типу нагружения: а - традиционное решение; б - разработанное автором

Напряжения по оси пояса сл. (рис. 6) распределяются по сечению относительно равномерно (отличия не превышают 16 %). В традиционном решении они уменьшаются без существенных всплесков на верхней грани пояса, к которой примыкает растянутый раскос. В поясе под сжатым раскосом распределение напряжений неравномерное, но без существенных всплесков. В авторском решении под растянутым раскосом по мере удаления от горизонтальной диагонали поперечного сечения напряжения увеличиваются, а под растянутым - уменьшаются. Равномерный изгиб пояса в месте примыкания элементов решетки по

134„М ¡134,6)

4-4

177.М Е!|71 М

153,2

<тм)

159.12,

16637 150.54 157.98

4'-4'

130.7!

№э,1

11*13 И4Л1

12603

124Л2 1|8К

Рис. 6. Эпюры напряжений а* (МПа) в поперечном сечении пояса (левая часть - 1-й тип, правая - 2-й тип нагружения; в скобках указаны экспериментальные значения)

направлениям линий действия усилий в раскосах наблюдается в результате его высокой изгибной жесткости. Благодаря креплению элементов решетки к поясу с помощью двух его стенок и фаски возникает резерв несущей способности за счет повышения предела текучести в зоне закругления, т.е. явление наклепа.

Напряжения ау (рис. 7) сконцентрированы в месте примыкания стержней. В авторском решении они меньше, чем в традиционном, в 1,9 раза под растянутым раскосом и в 1,4 раза - под сжатым. В традиционном решении наблюдаются резкие всплески в месте крепления раскосов и на боковых стенках пояса. В нижней части сечения напряжения значительно уменьшаются. В авторском решении значительные напряжения - в сечениях З'-З' и 4'-4'. На верхних гранях и фаске они достигают максимальных значений. При этом по сечению напряжения распределены без существенных всплесков.

Установлено, что в традиционном решении крепление раскосов осуществляется непосредственно к плоской стенке трубчатого пояса. Горизонтальная стенка пояса в месте примыкания раскосов неравномерно деформируется по направлению линии действия усилий. Кроме того, происходит вдавливание боковых стенок пояса под растянутым раскосом и выпучивание - под сжатым.

Авторское решение предусматривает крепление раскосов к поясу таким образом, чтобы их торцы сквозным У-образным вырезом охватили две смежные стенки пояса. Это приводит к достаточно близкому расположению торцов раскосов к центру узла, и следовательно, друг к другу. В результате этого сокращается траектория передачи сдвигающих (поперечных) усилий, проходящих через пояс, в связи с чем выравниваются напряжения по оси пояса. Крепление раскосов новым способом препятствует потере устойчивости стенок пояса, что способствует увеличению несущей способности и надежности рассматриваемого узла.

Установлено, что деформации контура поперечного сечения пояса в местах концентрации напряжений в случае авторского узлового соединения в 2,9 - 4,4 раза меньше, чем в традиционном варианте.

Для традиционного решения характерно разрушение узла в результате потери устойчивости верхней стенки пояса в месте примыкания к нему раскосов, для разработанного узла - в результате потери устойчивости стенок пояса в месте примыкания к нему сжатого раскоса.

Четвертая глава содержит методику и результаты экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния узлов фермы, определение их несущей способности, а также

3-3

4 73 ОАЭ «ЗОчМ.«

4-4

42.36

21.25

138 «-I-153

2.31 6.31

З'-З'

о.»

(13,9)

21.06

0.52

Рис. 7. Эпюры напряжений в ау (МПа) поперечном сечении пояса (левая часть - 1-й тип, правая - 2-й тип нагружения; в скобках указаны экспериментальные значения)

анализ эффективности разработанного узла. Предложены рекомендации по конструированию и расчету ферм с новыми узлами.

Разработанная конструкция испытательного стенда (рис. 8) позволяет моделировать работу узла в составе фермы.

Рис 8. Экспериментальная установка

Испытание проводились с использованием тензометрии. Тензорезисторы наклеивались в местах концентрации напряжений, выявленных по результатам численных исследований (рис. 9). Для фиксирования отклонений боковых стенок поясов под пятками раскосов дополнительно были установлены индикаторы часового типа.

Во время эксперимента нагружение осуществлялось согласно расчетной схеме (рис. 4) гидравлическими домкратами грузоподъемностью 160 кН (для пояса) и 100 кН (для раскосов), которые приводятся в действие через ручные насосные станции. Величина усилий регистрировалась при помощи манометров, измеряющих давление в гидросистеме диапазоном 400 и 800 кгс/см2 и классом точности 1,5 и 2,5 соответственно.

Нагрузка прикладывалась ступенями, равными 20% от расчетной нагрузки с выдержкой на каждой ступени в целях стабилизации деформаций и снятия их показаний. После каждой ступени производился отсчет показаний индикаторов часового типа (рис. 10). Сопоставление полученных данных с результатами численных исследований позволяет сделать вывод об их приемлемой сходимости (максимальное расхождение - 12 %).

Рис. 9. Схема размещения тензорезисторов на узловых соединениях: а -типовой узел, б - новое решение узла

Перемещение стенок пояса из плоскости узла в новом решении под растянутым раскосом (индикаторы №1 и №2) в 3,15 раза меньше, чем в типовом, а под сжатым (индикаторы №3 и №4) -меньше в 3,6 раза.

Несущая способность узлов определялась по первой группе предельных состояний. Исчерпание несущей способности соответствовало нагрузке на раскосы: в традиционном узле - 58 кН, в

разработанном - 102 кН. Таким образом, несущая способность последнего больше в 1,8 раза.

а

Р. кН

и

щ -у /

у

/, ' /

/ /

/'/

((/

!

1!

//

ь ■У

V .у

/у **

1 У"'

п /

/

/ /

/

/ ✓

/ / у"

0.000 0.015 0031 0045 ООйО 00"5 0 Ч:>0 0105 '>120 0135 -•— Днц» — Л|ф1 • I -—-(2) —|— 1* —<—С)'

0.615 0.030 0 045 0.060 0.0*5 0Й» 0.105 0.120

Мт ш

"Ля .....•а*»' -<--(4) —3* —I— (4)'

Рис. 10. Зависимость Г- АЬу (сила - перемещение) по индикаторам, расположенными под растянутым раскосом (а), под сжатым раскосом (б)

Разрушение традиционного узлового соединения произошло в результате потери устойчивости верхней стенки пояса в области примыкания к нему раскосов. Дальнейшее увеличение нагрузки (до 69 кН) привело к отрыву растянутого раскоса в зоне носка по контуру сварного шва (рис. 11).

Характер деформирования узлов, полученный в результате численных и экспериментальных исследований, одинаков. Верхняя грань пояса в месте примыкания раскосов неравномерно деформируется по направлению линии действия нагрузки сжатого и растянутого раскосов. Происходит явно выраженное вдавливание боковых стенок пояса под растянутым раскосом и выпучивание - под сжатым.

Разрушение разработанного узлового соединения (рис. 12) произошло в результате потери устойчивости верхних граней пояса в месте примыкания к ним сжатого раскоса. Дальнейшее увеличение нагрузки не проводилось ввиду отсутствия технической возможности.

Напряженно-деформированные состояния разработанного узлового соединения, полученные при численных и экспериментальных исследованиях, сопоставимы. Верхние стенки пояса искривляются внутрь контура сечения под растянутым раскосом, наружу - под сжатым.

Рис 12. Разрушение разработанного узла фермы

Визуального деформирования раскосов при испытании обоих вариантов узлов не наблюдалось.

Эффективность трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями устанавливалась путем сравнения их с другими решениями по технико-экономическим показателям.

Одним из требований, предъявляемых к металлическим конструкциям, является экономичность. Ее показателем является материалоемкость, определяемая затратами на металл и другие материалы, необходимые на изготовление конструкции.

При сравнении металлоемкости типовой и новой ферм значение веса может быть использовано при оценке экономичности ввиду однотипности конструкций, имеющих одинаковое функциональное назначение.

Ввиду того, что обычно прочность ферм определяется прочностью их узловых соединений, за несущую способность фермы принята несущая способность узла.

Для объективности оценки эффективности рассчитан коэффициент материалоемкости К, представляющий собой отношение несущей способности конструкции Ф к погонному весу конструкции фермы й:

При определении веса всей конструкции необходимо учесть не только вес всех элементов фермы, но и вес опорных столиков. В силу того, что количество металла, идущего на изготовление сварных соединений, одинаково в обоих вариантах, его влияние на вес не учитываем. В разработанном узле длина шва увеличивается, но при этом уменьшается его катет. Вес всей конструкции фермы равен:

где у - плотность металла, равная 7,85x104 Н/м3, V-объем элементов конструкции.

В результате, установлено, что по объективному экономическому показателю предложенное решение превосходит традиционное в 1,74 раза.

(2)

С^уК

(3)

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Предложено совершенствование конструкции трубчатой фермы за счет новых бесфасоночных узлов, позволившее повысить их несущую способность и снизить материалоемкость фермы.

- 2. Обоснование преимуществ новой конструкции фермы перед предшествующими аналогами проведено на основе методики исследования с использованием трехмерной модели узла, отражающей особенности функционального состояния профиля сечения стержней.

3. Численные исследования напряженно-деформированного состояния предложенной конструкции узла показали значительное снижение его уровня по сравнению с аналогом в традиционном решении.

4. Новому бесфасоночному узлу присуще значительное снижение концентрации напряжений за счет уменьшения остаточных деформаций в зоне сварки. При этом деформации контура поперечного сечения пояса в г,) -4,4 раза меньше по сравнению с традиционным аналогом.

5. Предложенное примыкание к поясу торцов раскосов повышает местную устойчивость стенок его сечения, способствуя тем самым повышению несущей способности узлового соединения.

6. Проведенные экспериментальные исследования функционирования нового узлового соединения на созданном специализированном стенде выявили напряженно-деформированное состояние, идентичное полученному на основе численных исследований (расхождения не превышают 16%).

7. Предложенная конструкция узлового соединения, признанная изобретением и защищенная патентом РФ, эффективнее традиционного аналога по несущей способности в 1,8 раза, по металлоемкости в 1,74 раза.

8. Внесены рекомендации по методике расчета и конструированию трубчатых ферм с новыми бесфасоночными узлами, что позволяет расширить используемый на практике альбом конструктивных решений ферм.

9. Признание содержащихся в диссертации новых конструкций трубчатых ферм подтверждено их внедрением при строительстве общественного здания (г. Старый Оскол) и при реконструкции вспомогательных помещений на территории центра ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ», а также использованием в учебном процессе БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации. Основные результаты исследований изложены в следующих публикациях:

Статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Зинькова В.А. Методика экспериментальных исследований узловых соединений трубчатых элементов фермы / В.А. Зинькова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 1. - С. 50-52.

2. Зинькова, В.А. Исследование напряженно-деформированного состояния бесфасоночных узлов трубчатых ферм / В.А. Зинькова, Н.В. Солодов [Электронный ресурс] // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - Режим доступа: http://www.science-education.ru/ll 3-11776

Статьи в других изданиях

3. Зинькова В.А. Разработка и исследование сварных узлов ферм из гнутосварных профилей / В.А. Зинькова, А.А.Соколов, Н.С. Бочарова // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2005. - №10 - С. 455-457.

4. Зинькова В.А. Численные исследования напряженно-деформированного состояния узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов ферм / В.А. Зинькова, А.А.Соколов, К.И. Логачев // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. - 2007. - № 8. - С. 45-46.

5. Зинькова В.А. Исследование деформативности узловых соединений трубчатой фермы / В.А. Зинькова // Сборник научных трудов SWorld Международной научно-практической конференции «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития». Выпуск 3. Том 49. - Одесса: КУПРИЕНКО, 2013. - С. 6971.

6. Зинькова В.А. Совершенствование трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями / В.А. Зинькова, А.Г. Юрьев // Сборник научных трудов SWorld Международной научно-практической конференции «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте». Выпуск 4. Том 36. — Одесса: КУПРИЕНКО, 2013.-С. 53-55.

7. Пат. 2329361 Российская Федерация, МПК7 Е 04 С 3/08. Узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов фермы (варианты) / В.А. Зинькова, A.A. Соколов; заявитель и патентообладатель БГТУ им. В.Г. Шухова. - № 2006140596/03, 'заявл. 16.11.06 ; опубл. 20.07.08, Бюл. № 20.-3 с.

ЗИНЬКОВА ВИКТОРИЯ АНАТОЛЬЕВНА

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ С БЕСФАСОНОЧНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать 29.04.14. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,2. Уч.-изд. л. 1,3 Тираж 100 экз. Заказ Нч10( Отпечатано в Белгородском государственном технологическом университете им. В.Г. Шухова. 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«БЕЛГОРОДСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ им. В.Г.ШУХОВА»

(БГТУ им. В.Г. Шухова)

04201459999

На правах рукописи ЗИНЬКОВА Виктория Анатольевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ С БЕСФАСОНОЧНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор А.Г. Юрьев

Белгород, 2014

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ С БЕСФАСОНОЧНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ............................11

1.1. Функционирование бесфасоночного узлового соединения в составе типовой трубчатой фермы...............................................................................11

1.2. Типы закрепления стержней в бесфасоночных узловых соединениях трубчатой фермы..............................................................................................12

1.3. Конструктивные решения бесфасоночных узловых соединений элементов трубчатой фермы............................................................................14

1.4. Методы расчета узловых соединений трубчатой фермы......................20

Выводы, обоснование цели и задач исследования........................................25

2. ТРУБЧАТАЯ ФЕРМА С НОВЫМИ БЕСФАСОНОЧНЫМИ................28

К-ОБРАЗНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ.......................................28

2.1. Общие положения......................................................................................28

2.2. Новое К-образное бесфасоночное узловое соединение........................29

трубчатой фермы..............................................................................................29

2.3. Трубчатая ферма с К-образными бесфасоночными узлами..................32

2.4. Принципы и методика исследования напряженно-деформированного состояния фермы с новыми узловыми соединениями..................................35

2.4.1. Численные исследования бесфасоночных узловых соединений с помощью многофункционального программного комплекса «Лира»........38

2.4.2. Влияние условий закрепления стрежней в ферме на напряженно-деформированное состояние их узловых соединений..................................39

2.5. Расчетная схема для модели узлового соединения фермы..................44

Выводы...............................................................................................................46

3. ЧИСЛЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ БЕСФАСОНОЧНОГО УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ ФЕРМЫ....................................48

3.1. Цель и задачи численных исследований.................................................48

3.2. Объект численных исследований.............................................................48

3.3. Методика проведения численных исследований..................................50

3.4. Анализ численных исследований бесфасоночных узловых соединений.............................................................................52

Выводы...............................................................................................................65

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ УЗЛОВ ТРУБЧАТОЙ ФЕРМЫ........................................................................................67

4.1. Цель и задачи исследования.....................................................................67

4.2. Объект экспериментальных исследований.............................................68

4.3. Конструкция испытательного стенда и функционирование в ней узлового соединения.........................................................................................68

4.4. Методика проведения экспериментальных исследований....................70

4.5. Обработка результатов и анализ экспериментальных исследований..75

4.5.1. Контрольные тензодатчики................................................................75

4.5.2. Индикаторы часового типа.................................................................77

4.5.3. Основные тензодатчики......................................................................81

4.6. Несущая способность исследуемых узловых соединений....................82

4.7. Определение эффективности трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями..................................................................................85

4.8. Рекомендации по конструированию и расчету ферм с разработанными бесфасоночными узлами.....................................................86

Выводы:.............................................................................................................89

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.......................................................91

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ...........................................93

Приложение I. Патент на изобретение РФ...................................................111

Приложение II. Результаты численных исследований...............................114

Приложение Ш. Результаты экспериментальных исследований..............125

Приложение IV. Документы внедрения.......................................................135

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Анализ динамики российских и европейских рынков позволил выявить рост инвестиций в строительство спортивно-оздоровительных комплексов, торгово-развлекательных и бизнес-центров, промышленных, складских и прочих объектов. Быстровозводимые и трансформируемые здания становятся популярными.

Перспективным научно-техническим направлением в развитии металлоконструкций является разработка и внедрение легких конструкций зданий и сооружений, позволяющих рационально использовать материальные ресурсы.

Массовое применение легких ферм из трубчатого профиля, обусловленное быстрыми темпами возведения в сочетании с высокой технологичностью, эксплуатационной надежностью и долговечностью, минимальным количеством элементов и сварных швов, преимуществом при нанесении покрытий, увеличением освещенности, малым аэродинамическим сопротивлением, а также современным архитектурным дизайном, приводит к удешевлению строительства по сравнению с применением традиционных материалов на 25-30%, а в некоторых случаях до 40% [4, 55, 59, 77].

Обладая указанными преимуществами, фермы не застрахованы от аварий, которые вызваны разрушением узлов [75]. Это объясняется тем, что несущая способность трубчатых ферм в большей мере определяется прочностью их узловых соединений, представляющих сложную пространственную конструкцию с высоким градиентом напряжений [61]. Как установлено [6, 115], разрушение узлов связано со снижением пластических свойств стали при наличии значительных концентраций напряжений, возникающих вследствие передачи усилий от сжатого элемента решетки к растянутому через пояс фермы и сварные швы.

Упрощенные методики расчета ферм позволяют использовать идеализированные шарнирные сопряжения стержней в узле при определении продольных усилий в элементах ферм, если отношение высоты сечения элемента к его длине М< 1/10 [128]. При ином подходе ферма моделируется как рамная конструкция. При этом прочность узлов непосредственно зависит от их конструктивных решений и характера распределения в них внутренних усилий в сечениях элементов.

Реализация достоинств легких ферм из трубчатого профиля затруднена его особенностями и зависит от конструктивных решений узловых соединений.

Исследование напряженно-деформированного состояния узловых соединений и проведение инженерных расчетов с допустимой точностью формально позволяют возможности современного программного обеспечения. Вместе с тем, остается нерешенной проблема оптимального конструктивного решения узлов трубчатых ферм, позволяющего увеличить их прочность и уменьшить деформативность.

Целью настоящей работы является разработка и исследование напряженно-деформированного состояния (НДС) нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Разработка и обоснование нового типа конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы.

2. Разработка и обоснование методики исследования, а также расчетной модели конструкции узла с учетом особенностей профиля и его функционирования в составе фермы.

3. Проведение сопоставительных численных исследований НДС трехмерных моделей традиционного и разработанного типов узлов.

4. Разработка конструкции испытательного стенда, методики проведения эксперимента с учетом специфики разработанного конструктивного решения узла. Сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований.

5. Оценка эффективности усовершенствованной фермы с разработанным типом узлом и определение области применения разработанных узловых соединений.

Методы исследования - численные, экспериментальные и теоретические, в том числе методы моделирования строительных конструкций, численные методы строительной механики и теории надежности металлических конструкций.

Научную новизну работы составляют:

- конструктивное решение узловых бесфасоночных соединений трубчатых элементов фермы;

- результаты численного исследования НДС трехмерных моделей бесфасоночных узлов;

- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей способности узлов трубчатых ферм;

- рекомендации по конструированию и расчету трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.

Обоснованность и достоверность научных исследований обеспечивается использованием общепринятых предпосылок современной теории расчета конструктивных систем с привлечением основных положений теории пластин и оболочек, а также сопоставлением полученных результатов численных и экспериментальных исследований.

Практическое значение работы. Разработанное решение узлового бесфасоночного соединения рекомендуется использовать при конструировании трубчатых ферм с треугольной решеткой без стоек при строительстве складских и торгово-развлекательных помещений,

одноэтажных отапливаемых и неотапливаемых промышленных зданий без кранов. Разработан алгоритм формирования первичной информации и рекомендации по расчету и конструированию трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.

Внедрение результатов работы обусловлено патентом на узловое бесфасоночное соединение трубчатых элементов ферм и использовано в проектном отделе металлоконструкций инженерного центра ЗАО «Энергомаш (Белгород) - БЗЭМ» и в проектной компании ООО «Гарант-проект», а также отражено в учебном процессе кафедры строительства и городского хозяйства БГТУ им. В.Г. Шухова.

Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждались на Международной научно-практической конференции «Современные технологии в промышленности строительных материалов и стройиндустрии» (г. Белгород, 2005); на Международных научно-практических Интернет-конференциях «Научные исследования и их практическое применение. Современное состояние и пути развития» и «Перспективные инновации в науке, образовании, производстве и транспорте» (г. Одесса, 2013). В полном объеме работа доложена и одобрена на расширенном заседании кафедры «Сопротивление материалов и строительная механика» БГТУ им. В.Г. Шухова.

Публикации работы. По теме диссертации опубликовано 7 работ, в том числе две статьи опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, получен патент Российской Федерации на изобретение.

На защиту выносятся:

новый тип конструктивного решения бесфасоночных узлов трубчатой фермы;

- результаты численного исследования НДС трехмерных моделей бесфасоночных узловых соединений;

- результаты экспериментальных исследований НДС и несущей способности узлов трубчатой фермы;

- технико-экономическая оценка фермы с бесфасоночными узловыми соединениями.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованной литературы и приложений. Вся работа изложена на 138 стр., включающих 8 таблиц, 40 рисунков, список литературы из 155 наименований и четыре приложения.

Во введении изложена актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, указаны положения, выносимые на защиту, обоснование и достоверность научных исследований, практическая ценность, упомянуты апробации работы и количество публикаций, а также показаны структура, объем и краткое содержание диссертации.

В первой главе изложен анализ современного состояния экспериментально-теоретических исследований трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями. Приведен анализ конструктивных решений бесфасоночных узловых соединений, а также их функционирование в составе трубчатой фермы.

Вторая глава посвящена разработке нового типа узлового бесфасоночного соединения элементов трубчатой фермы, а также его функционированию в составе новой конструкции фермы. Предложена методика исследования трубчатых ферм с бесфасоночными узловыми соединениями. Изложены постановка и решения задач исследования НДС разработанного узлового соединения.

В третьей главе приведены методика и результаты численных исследований НДС компьютерных трехмерных моделей узлов, проведенных с помощью программного комплекса «Лира». Выполнено сопоставление разработанного узлового соединения с традиционным.

В четвертой главе предложена методика и результаты экспериментальных исследований НДС бесфасоночных узловых соединений элементов трубчатой фермы. Приведено сопоставление результатов численных и экспериментальных исследований. Выявлена эффективность ферм, разработанных на основе предложенного бесфасоночного узлового соединения. Предложены рекомендации по расчету и конструированию трубчатых ферм с бесфасоночными узлами.

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ТРУБЧАТЫХ ФЕРМ С БЕСФАСОНОЧНЫМИ УЗЛОВЫМИ СОЕДИНЕНИЯМИ

1.1. Функционирование бесфасоночного узлового соединения в составе

типовой трубчатой фермы

При проектировании ферм следует стремиться к тому, чтобы центральные оси стержней решетчатой конструкции сходились в узлах в одну точку. Это позволяет исключить изгибающие моменты, вызванные эксцентриситетом. В реальности возможны отклонения от этой установки, в результате чего возникают изгибающие моменты [8]. Они могут быть учтены теоретически: М=Ие, где N - продольное усилие в стержне, е -эксцентриситет его приложения [73, 110].

Реальная конструкция сварной трубчатой фермы состоит из цельных поясов, к которым приварены элементы решетки, в результате чего образуются узлы. Под действием внешней нагрузки ферма деформируется - наблюдаются прогибы поясов у. В общем случае ось поясов ферм искривляется по кривой у=ах3+Ьх2+сх+с1. Дифференциальное уравнение

с12у Мх

(1.1)

&х2 Е1Х

объясняет наличие изгибающих моментов в поясах ферм.

Однако для идеализированных шарнирных ферм принято считать, что в стержнях, образующих узел, возникают только продольные усилия. Напряжения, найденные по этим усилиям, являются основными. Перемена знаков в раскосах происходит в соответствии с законами статики, проявляющимися в виде равновесия сил относительно центра узла, расположенного на оси пояса. Оси всех стержней должны быть прямолинейны и расположены в одной плоскости.

Учитывая, что в элементах трубчатой фермы профиль является полым, продольные усилия в раскосах, не доходя до центра тяжести узла, воспринимаются верхней стенкой пояса. В связи с этим в поясах возникают поперечные усилия, обусловленные составляющей продольной силы от элементов решетки. Это приводит к неравномерным деформациям поперечного сечения пояса [8] и наличию местных изгибающих моментов [74]. Более того, наряду с нормальными напряжениями от продольных усилий возникают сравнимые по величине касательные напряжения [21].

Если же ферма используется в беспрогонном покрытии, верхний пояс воспринимает равномерно распределенную нагрузку, которая вызывает дополнительные изгибающие моменты и поперечные силы [27].

Говоря о моментах, возникающих в результате деформирования трубчатой фермы, необходимо также иметь в виду изгибающий момент, обусловленный характерным закреплением стержней в узле, а напряжения, вызванные фактической жесткостью узлов, принято считать дополнительными.

1.2. Типы закрепления стержней в бесфасоночных узловых соединениях

трубчатой фермы

Обширными исследованиями [21], проведенными в Институте электросварки ИЭС им. Е.О. Патона, установлено, что для обеспечения надежной конструкции узла необходимо расчетную прочность материала считать в 1,5 раза меньше его временного сопротивления.

Широкий комплекс научных исследований трубчатых ферм выявил, что их действительные напряжения в среднем на 10% меньше теоретических [35, 55]. При этом аварии, вызванные разрушением узлов ферм, в большинстве случаев происходят из-за потери местной

устойчивости сечения пояса в зоне крепления раскосов [110] и обусловлены отличием расчетной схемы фермы от ее фактического деформирования [50].

Классическое представление фермы [131] как стержневой системы, остающейся геометрически неизменяемой, если в ней все жесткие узлы заменены шарнирами, свободными от трения, является идеализированным. Такое понимание актуально в строительной механике для определения только продольных усилий. Оно не отражает реального функционирования узлов, что препятствует выявлению слабых мест, требующих усиления и не позволяет в полной мере использовать все преимущества трубчатого профиля [14, 17].

Исследования реального характе�