автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из тонкостенных холодногнутых профилей

На правах рукописи

Тур Алексей Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СЕТЧАТЫХ КУПОЛОВ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005541035

2 8 НОЯ 2013

Казань-2013

005541035

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный архитектурно-строительный университет» на кафедре «Металлические и деревянные конструкции».

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Холопов Игорь Серафимович

Официальные оппоненты - Молев Игорь Васильевич

доктор технических наук, профессор, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Железобетонные, каменные и деревянные конструкции» — Исаев Алексей Викторович кандидат технических наук, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Казанский государственный архитектурно-строительный университет», доцент кафедры «Металлические конструкции и испытания сооружений» Ведущая организация - федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина», г. Екатеринбург

Защита диссертации состоится «23» декабря 2013 года в 15-00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.077.01, созданного на базе ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, д. 1, КГАСУ, ауд. 3-203.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Казанский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «21» ноября 2013 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

Л .А. Абдрахманова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы:

Сетчатые купола широко применяются в строительстве за рубежом и являются одними из самых перспективных конструкций. В нашей стране сетчатые купола применяются еще в недостаточном объеме.

Достоинства куполов - хорошие массовые показатели, возможность перекрытия больших пролетов, архитектурная выразительность, но кроме достоинств купола обладают и недостатками - чувствительность к искажению формы купола, сложные формы потери устойчивости, высокие требования к качеству и точности изготовления деталей. К этому можно также добавить, что широкому их внедрению в практику строительства препятствуют такие проблемы, как необходимость индивидуального изготовления элементов покрытия, высокие требования к квалификации рабочих, сложность расчета.

В настоящее время стальные сетчатые купола изготавливаются из горячекатаных профилей. Одним из возможных путей сокращения массы купола является применение легких стальных тонкостенных профилей. Легкие стальные тонкостенные конструкции широко применяются за рубежом и имеют достаточно хорошие показатели за счет более эффективных типов сечений, которые в принципе не могут быть получены при прокате. В последнее время эти конструкции и в России применяют в возрастающем объеме. Однако их широкому внедрению препятствует недостаточная изученность работы тонкостенных профилей, а также недостаток эффективных конструктивных решений.

Таким образом, применение в сетчатом куполе тонкостенных холодногнутых металлических профилей, исследование напряженно-деформированного состояния элементов купола, совершенствование узловых соединений сетчатых куполов является актуальной задачей.

Целью настоящей работы является совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей и исследование их напряженно-деформированного состояния. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать эффективное узловое соединение, позволяющее соединять стержневые элементы купола, выполненные из легких холодногнутых тонкостенных профилей;

- разработать конечно-элементные расчетные модели узловых соединений и провести численное исследование их напряженно-деформированного состояния;

- провести физический эксперимент по исследованию реального напряженно-деформированного состояния узловых соединений с креплением стержней на болтах и самонарезающих винтах;

- разработать алгоритм поиска рациональной геометрической формы купола и программу автоматизированного проектирования купола из легких тонкостенных профилей;

- разработать рекомендации по расчету и конструированию сетчатых купольных покрытий из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые узловые соединения сетчатого купола со стержнями из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Созданы конечно-элементные расчетные модели разработанного узлового соединения с различным расположением подкрепляющих элементов в узле, учитывающие физическую и геометрическую нелинейности. Определены особенности напряженно-деформированного состояния при различных соотношениях толщин тонкостенных элементов и их влияние на напряженно-деформированное состояние.

3. В ходе натурного эксперимента получены новые данные о несущей способности узловых соединений, их податливости, характере разрушения и влиянии типа использованного крепежа (болты и самосверлящие самонарезающие винты) на напряженно-деформированное состояние и несущую способность.

4. Разработана математическая модель, алгоритмы поиска и подсистема автоматизированного проектирования для ЭВМ, позволяющие создавать расчетные схемы сетчатых куполов с наиболее рациональными стрелой подъема и частотой сетки стержней каркаса купола.

Методы исследования:

В ходе работы применялись следующие методы:

1. Численное исследование напряженно-деформированного состояния купола и его узловых соединений велось с применением вычислительных комплексов (Ретар 10.1.1 с решателем ЫХ №зЦ-ап, Лира 9.4), основанных на методе конечных элементов.

2. Экспериментальные исследования узловых соединений проводились методами тензометрии с использованием измерительной техники на базе ЭВМ.

3. Методы математической статистики были использованы при обработке данных, полученных при экспериментальных испытаниях.

Достоверность результатов:

Достоверность результатов, полученных в экспериментальных испытаниях узловых соединений, обеспечена использованием научно-обоснованных методик, применением современной измерительной техники на основе ЭВМ и сертифицированного оборудования, исследованием фрагментов купола с узловыми соединениями, выполненными в натурную величину, использованием методов математической статистики при обработке данных, сравнением с данными, полученными другими исследователями. Достоверность численных исследований обеспечивается применением современных методов строительной механики, хорошей корреляцией с

данными экспериментальных испытаний и сравнением с результатами, полученными в других работах.

Практическая ценность:

1. Разработанное узловое соединение позволяет применить в конструкции сетчатого купола стержневые элементы из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Разработанные расчетные модели позволяют определять напряженно-деформированное состояние узловых соединений при различных конфигурациях подкрепляющих элементов, неограниченной взаимной ориентации стыкуемых стержней в пространстве и любом сочетании нагрузок.

3. Разработанная подсистема автоматизированного проектирования позволяет значительно сократить трудозатраты на построение расчетной схемы сетчатого купола и определить наиболее выгодную стрелу подъема и частоту сетки стержней каркаса купола.

4. Разработаны рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

На защиту выносятся:

1. Конструктивные решения новых узловых соединений для сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей. Новизна подтверждается двумя патентами РФ на изобретение.

2. Результаты конечно-элементного моделирования узлового соединения и методика его расчета.

3. Результаты экспериментальных исследований фрагментов сетчатого купола с выполненными в натурную величину узловыми соединениями на болтах и самосверлящих самонарезающих винтах и стержневыми элементами из тонкостенных холодногнутых профилей.

4. Критерий качества купольных конструкций, учитывающий стоимость материалов каркаса купола и его покрытия.

5. Подсистема автоматизированного проектирования, позволяющая в автоматическом режиме создавать расчетную схему сетчатого купола и оценить критерий качества конструкции.

6. Результаты поиска наиболее рациональной формы сетчатого купола по стреле подъема и частоте сетки стержней каркаса купола при реальных нагружениях.

Внедрение результатов работы:

1. Изданы рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Результаты исследования используются в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета, что подтверждается актами о внедрении.

3. Разработан проект выставочного павильона, покрытого сетчатым куполом из тонкостенных профилей, диаметр павильона 10,1 м и начата его сборка.

Публикации и апробация работы:

1. По результатам работы получено два патента РФ на изобретение.

2. Основное содержание работы опубликовано в 8 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

3. Результаты работы докладывались на 4 всероссийских и международных конференциях в городах Мариуполь, Самара, Ульяновск.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (111 наименований), включает 38 таблиц, 138 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 219 страницах машинописного текста.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении изложена актуальность и новизна работы, определены цели исследования, сформулированы положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена изучению состояния вопроса исследования, приводится краткий обзор исторического развития купольных конструкций, классификация купольных конструкций, особое внимание уделено процессам развития и совершенствования конструктивных решений металлических каркасных куполов, описываются принципы построения разрезок поверхности куполов.

Подробно рассматриваются узловые соединения стержневых элементов каркаса купола, опорные узлы куполов, покрытия куполов.

Отмечается значительный вклад в развитие и исследование пространственных конструкций покрытий отечественных ученых И.С.Будыльского, Ю.А.Веселева, А.Л.Губина, А.Ю.Гурьева, М.В.Даниловой, П.А.Дмитриева, О.Ю.Дериглазова, А.А.Журавлева, Е.И.Кондрахова, И.Л. Кузнецова, Б.В.Лабудина, Д.С.Ларина, Б.В.Миряева, Б.К.Михайлова, И.В.Молева, Б.Г.Мухина, В.В.Новикова, Г.Н.Павлова, С.А.Пеньковцева,

B.С.Пичугина, В.А.Савельева, Е.Н.Серова, М.С.Туполева, Р.И.Хисамова, Б.С.Цетлина и зарубежных Г.Кайвитга, К.Клеппля, Д.Райта, Р.Фуллера, К.Гидофальви, П.Хьюберса, Р.Шардта.

Приводятся современные методики определения нагрузок на купольное покрытие, методы расчета куполов, отмечаются последние работы в этой области таких ученых, как Н.Л.Беляшева, В.К.Востров, И.В.Лебедева,

C.Ю.Мясникин, И.В.Некрасов, А.Б.Павлов, А.С.Шеховцов. Рассматриваются методы оптимального проектирования конструкций,

возможные параметры оптимизации купольных конструкций, критерии оптимальности купольных конструкций, пути повышения технико-экономических характеристик куполов. Указывается на вклад в развитие теории оптимального проектирования таких ученых, как В.Ю.Алпатов,

А.И.Виноградов, К.Мажид, Я.И.Ольков, И.М.Рабинович, Ю.А.Радциг, И.С.Холопов.

В первой главе также рассматриваются возможности применения тонкостенных холодногнутых профилей в конструкциях покрытий зданий. Указывается на значительный рост производства и потребления холодногнутых профилей, особенности расчета и проектирования конструкций из тонкостенных холодногнутых профилей, сопоставляются отечественные и зарубежные нормативные документы по расчету и конструированию таких конструкций, отмечаются работы в этой области таких ученых, как Э.А.Айрумян, И.И.Ведяков, С.В.Ганичев, С.В.Камышин, И.Г.Катранов, П.Д.Одесский, А.С.Семенов, Д.В.Соловьев.

Сделан вывод, что вопрос повышения эффективности сетчатых куполов является актуальным, сформулирована цель диссертационной работы.

Вторая глава посвящена разработке конструктивных решений узловых соединений сетчатых куполов со стержнями из тонкостенных холодногнутых профилей и численному исследованию напряженно-деформированного состояния куполов. Определена область применения куполов из тонкостенных холодногнутых профилей - общественные и промышленные здания, с перекрываемым пролетом до 30 метров. На рисунке 1 показан пример схемы

а) План стержневого каркаса купола

б) Аксонометрическая схема каркаса купола

в) Разрез по диаметральной плоскости купола

Каркас сетчатого купола собирают из тонкостенных холодногнутых профилей по сортаменту ТУ 1122-004-25386609-2004. Стержни каркаса купола

выполнены в виде двух холодногнутых швеллеров, соединенных самонарезающими винтами в коробчатое сечение, как показано на рисунке 2.

I / с

Рисунок 2 Сечения стержневых элементов каркаса купола

Для обеспечения возможности применения легких тонкостенных холодногнутых профилей в конструкции сетчатого купола были разработаны новые узловые соединения, на которые получено два патента на изобретение (№24671333 от 20.11.2012 г. и №2468157 от 27.11.2012 г.). Предлагаемое узловое соединение показано на рисунке 3.

Рисунок 3 Узловое соединение сетчатого купола 1 - стальной цилиндр; 2 - стержневые элементы;

3 - развальцованные уголки; 4 - крепежные элементы; 5 - ребра жесткости

Узловое соединение выполняется в виде полого цилиндра с кольцевыми ребрами жесткости по торцам цилиндра. Радиус и высота цилиндра

определяются из условий взаимной стыковки стержневых элементов. Крепление стержневых элементов к цилиндру осуществляется при помощи уголков с одной развальцованной полкой. Радиус отгиба полки уголка равен радиусу цилиндра. Развальцованные уголки прямой полкой крепятся к стенкам стержневых элементов, а развальцованной полкой примыкают к цилиндру и крепятся к нему как показано на рисунке 3. Размеры полок подбираются исходя из условий установки крепежных элементов.

Опорное кольцо купола выполняется из прямоугольных труб. Тонкостенные стержни каркаса купола крепятся к опорному кольцу самонарезающими винтами или болтами через фасонки. Решение опорного узла показано на рисунке 4.

Рисунок 4 Опорный узел купола, слева - вид сбоку, справа - вид сверху

Расчет купола производится как дискретной стержневой системы, с применением программного комплекса Лира 9.2. Нагрузки на купольное покрытие определяем в соответствии с СП 20.13330.2011и СТО 36554501-0152008. При передаче нагрузки на стержни купола считаем, что нагрузка на стержень купола передается только с площади поверхности купола, ограниченной четырехугольником, вершинами которого являются концы стержня каркаса купола и центры смежных треугольников, образованных стержнями каркаса купола, как показано на рисунке 5. Существует два основных варианта передачи нагрузки с покрытия на каркас купола. Первый вариант передачи нагрузки предполагает, что нагрузка передается с покрытия на каркас купола только в узловых соединениях купола, во втором варианте покрытие опирается прямо на стержни каркаса купола и нагрузка передается непосредственно на стержни.

При проведении расчетов узлы купола считались как жесткими, так и шарнирными. При замене жестких узлов купола на шарнирные, усилия в стержнях возрастали на 4-6%, что позволяет сделать вывод о небольшом влиянии жесткости узлов купола на его напряженно-деформированное состояние при рассматриваемых длинах стержней.

При исследовании напряженно-деформированного состояния купола осуществлялось варьирование стрелой подъема купола. Было выявлено, что при равномерной снеговой нагрузке, распределенной по всей поверхности купола, с увеличением стрелы подъема купола максимальные усилия в стержнях сокращаются. При малой стреле подъема (}6 диаметра) все стержни каркаса

купола сжаты и растяжение испытывает только опорное кольцо купола. При увеличении стрелы подъема нижние кольца купола также оказываются растянутыми и чем больше стрела подъема, тем большее количество колец купола испытывает растяжение. Стрежни купола, идущие в меридиональном направлении, независимо от стрелы подъема испытывают сжатие. При снеговой нагрузке, распределенной по половине площади купола, только с одной стороны сжимающие усилия в части стержней стали больше (увеличение до 30%), а растягивающие усилия в нижнем опорном кольце купола уменьшились (максимальное снижение на величину до 20%).

Ветровая нагрузка не оказывает значимого влияния на напряженно-деформированное состояние купола (максимальные усилия в стержнях составляют не более 15% от усилий, вызванных снеговой нагрузкой), более того, для части стержней, силы в стержнях, возникающие от ветровой нагрузки, противоположны по знаку силам, возникающим от снеговой нагрузки.

Проведено исследование влияния податливости узловых соединений сетчатого купола на его напряженно-деформированное состояние.

Оценка влияния податливости узлового соединения купола на его напряженно-деформированное состояние выполнена тремя способами:

1. Произведен пересчет модуля упругости с учетом податливости узловых соединений.

2. На концы стержней купола установлены упругие элементы, податливость которых равна податливости узловых соединений.

3. В расчетной схеме купола цилиндрический элемент узлового соединения представлен в виде шестиугольника из шести прямых стержней соответствующей длины, жестко соединенных между собой. Было выявлено, что учет податливости путем пересчета модуля упругости

стержневых элементов купола практически не вызывает изменений усилий в стержнях купола, а двумя другими методами показывает снижение максимальных усилий на 12-15%. В целом, снижение усилий в стержнях купола достаточно равномерное и пропорционально снижению максимальных усилий. Также следует отметить, что учет податливости узловых соединений любым из методов показывает значительное увеличение деформативности конструкции в целом.

Были проведены сравнительные расчеты куполов со стержнями из холодногнутых и прокатных профилей. В качестве прокатных профилей использовались прямоугольные трубы по ГОСТ 8645-82. При равных нагрузках и диаметре купола 12 и 18 метров снижение массы каркаса купола из холодногнутых профилей составило до 14,4%, сравнительные данные приведены в таблице 1. Расчет сечений проводился с учетом положений рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу конструкций из холодногнутых профилей, разработанных в ЦНИИПСК им. Н.П. Мельникова и Еврокода 3.

Таблица 1 Массовые показатели стержней каркасов куполов, выполненных из горячекатаных и холодногнутых профилей

Диаметр купола, м Тип сечения стержней каркаса купола Размеры сечения стержня каркаса купола Погонная масса сечения стержня, кг/м Разница в массе сечений, %

Высота, мм Ширина, мм Толщина, мм

12 Прямоуг. труба 50 25 2,5 2,66 10,9

Холодногн. швеллера 100 45 0,8 2,37

18 Прямоуг. труба 80 40 3 5,25 14,4

Холодногн. швеллера 150 45 1,2 4,49

Третья глава посвящена исследования напряженно-деформированного состояния узлового соединения сетчатого купола, показанного на рисунке 3.

В ходе численного исследования напряженно-деформированного состояния узлового соединения с кольцевыми ребрами жесткости ставились задачи нахождения напряжений и перемещений в цилиндрическом элементе, определения необходимой толщины цилиндра при заданных усилиях в стержнях и геометрических параметрах цилиндра, толщины развальцованных уголков, геометрических параметров ребер жесткости. Для решения поставленной задачи применялось конечно-элементное моделирование с применением вычислительного комплекса ИХ Ыав^ап с препроцессором Решар 10.1.1.

Численное исследование напряженно-деформированного состояния узлового соединения выполнялось на конечно-элементных моделях, в которых изменялись следующие геометрические параметры: толщина цилиндра, высота и толщина подкрепляющих ребер жесткости, толщина развальцованных уголков, количество крепежных элементов. Конечно-элементная модель формировалась в виде так называемой пространственной фермы Мизеса и представляла собой фрагмент купола с одним центральным узлом и стержнями реальной длины с шарнирными закреплениями. Отличие исследуемой расчетной модели от традиционной пространственной фермы Мизеса состоит в том, что центральный узел представляет собой конечно-элементную модель

реального узла купола, состоящего из стального цилиндра, ребер жесткости и развальцованных уголков. Расчетная модель формировалась из плоских четырехугольных конечных элементов. Общий вид расчетной модели представлен на рисунке 6. Исследование проводилось с учетом физической и геометрической нелинейности. Физическая нелинейность работы материала моделировалась заданием зависимости напряжений от деформаций. Нагрузка прикладывалась ступенчато, во все узлы конечных элементов, находящихся на верхней кромке цилиндра и действовала вертикально вниз.

Рисунок 6 Слева общий вид конечно-элементной модели узлового соединения, справа развальцованные уголки с местами установки крепежных элементов

Было проведено исследование влияние толщин элементов узлового соединения на его прочностные и жесткостные характеристики. Проведенные расчеты показали, что характеристики узлового элемента в виде цилиндра можно улучшить, если подкрепить его диафрагмами или ребрами жесткости.

Исследовались различные варианты расположения подкрепляющих элементов цилиндрического элемента узлового соединения, которые представлены на рисунке 7.

Рисунок 7 Варианты усиления цилиндрического элемента

а - тремя диафрагмами жесткости, б - вертикальными ребрами жесткости

в - кольцевыми ребрами жесткости, г - сплошными диафрагмами по торцам цилиндра

Численное исследование узловых соединений с различными подкреплениями показало, что наиболее выгодным вариантом является размещение двух кольцевых ребер жесткости по торцам цилиндра как показано на рисунке 7в. Это подтверждается тем, что эквивалентные напряжения в

стенке цилиндра, вызванные изгибом сократились на 35-40%, деформации стенки цилиндра на 30%, прощелкивание узла наступает при нагрузке на 35% выше, чем для узла без подкрепляющих элементов.

При численном исследовании узла с кольцевыми ребрами жесткости было установлено, что максимальные эквивалентные напряжения развиваются в цилиндрическом элементе узлового соединения, при этом высокие напряжения концентрируются в следующих зонах:

- в местах установки крепежных элементов, соединяющих цилиндр и развальцованные уголки;

- на наиболее удаленных от стержней участках цилиндра.

Также следует отметить, что зоны высоких напряжений расположены не равномерно по высоте цилиндра, а смещены к верхнему краю. При превышении эквивалентными напряжениями предела текучести материала напряженно-деформированное состояние узла несколько меняется, и площадь зон высоких напряжений значительно увеличивается. При решении задачи в линейной постановке, без учета геометрической нелинейности максимальные напряжения в цилиндре становятся выше, но сами зоны высоких напряжений уменьшаются в размерах. Характер распределения эквивалентных напряжений при различной нагрузке на узловое соединение приведен на рисунке 8.

Рисунок 8 Изменение распределения эквивалентных напряжений в цилиндре при различной нагрузке на узел

Слева сверху - при нагрузке 9,6 кН (упругая стадия работы)

Справа сверху - при нагрузке 14,4 кН (начало появления пластических деформаций) Слева снизу - при нагрузке 19,2 кН (упруго-пластическая стадия работы) Справа снизу - при нагрузке 21,6 кН (нагрузка, близкая к предельной)

Анализируя напряженно-деформированное состояние узлового соединения, можно сделать вывод, что исчерпание несущей способности узлового соединения (при заданных параметрах модели) наступает при появлении значительных пластических деформаций стенки цилиндра в местах изгиба и размещения крепежных элементов задолго до того, как произойдут недопустимые перемещения стенки цилиндра или недопустимый прогиб узлового соединения в целом.

Для выявления влияния параметров подкрепляющих элементов на массу узлового соединения был поставлен полный двухфакторный численный эксперимент на двух уровнях.

В качестве исследуемого параметра принималась теоретическая масса узлового соединения, необходимая для восприятия заданной нагрузки, в качестве факторов - геометрические размеры кольцевых ребер жесткости, диаметр и высота цилиндра являлись постоянными, толщина развальцованных уголков принималась равной толщине цилиндра.

По результатам факторного эксперимента было выявлено, что увеличение длины подкрепляющих ребер жесткости оказывает положительный эффект. Увеличение же их толщины не ведет к уменьшению массы узлового соединения. Эффект взаимодействия факторов также оказывает негативное воздействие и ведет к увеличению массы узлового соединения.

Можно рекомендовать применять ребра жесткости значительной длины при минимально возможной толщине, обеспечивающей их устойчивость. Следует также отметить, что применение ребер жесткости длиной свыше определенной величины (для рассмотренных узлов это 20-25 мм) также не приводит к уменьшению массы узлового соединения вследствие неполного использования материала в наиболее удаленной от стенки цилиндра части ребра.

Установка подкрепляющих кольцевых ребер жесткости позволяет получать выигрыш в теоретической массе узлового соединения (по сравнению с узловым соединением без подкрепляющих элементов) до 20 %.

Четвертая глава описывает экспериментальное исследование фрагментов купола с узловыми соединениями, выполненными в натуральную величину. Для проведения экспериментальных исследований было изготовлено два фрагмента с узловыми соединениями, имеющие подкрепляющие элементы в виде кольцевых ребер по торцам цилиндра. Одно узловое соединение было собрано на самосверлящих самонарезающих винтах диаметром 5,5 мм, другое на болтах нормальной точности диаметром 5 мм. Диаметр узловых соединений составлял 300 мм, высота 140 мм, толщина цилиндра, развальцованных уголков и кольцевых ребер 3 мм, материал узлового соединения - сталь СтЗ с нормативным сопротивлением Ry=255 МПа. Тонкостенные стержни представляли собой собранные в коробчатое сечение гнутые швеллера высотой 150 мм, шириной 45 мм и толщиной 1,5 мм, соединенные по длине самонарезающими винтами с шагом в 300 мм, расположенными по верхней и нижней полкам.

Нагружение узловых соединений производилось домкратом через динамометр, с упругой прокладкой между узлом и плитой передающей нагрузку от домкрата. Контроль прогибов производился при помощи индикаторов часового типа с точностью 0,01 мм, контроль напряжений в элементах узлового соединения выполнялся с помощью тензорезисторов ПКБ-5 с базой измерения 5 мм и тензостанции ММТС-64.01. Общий вид узлового соединения под нагрузкой показан на рисунке 9.

Рисунок 9 Узловое соединение под нагрузкой

Испытания в упругой стадии работы узлового соединения проводились циклично, в 7 циклов, с постепенным нарастанием нагрузки от 0 до 6000 Н. После этого были проведены испытания до потери несущей способности, которая наступила у узлового соединения на самонарезающих винтах при приложении нагрузки в 16,5 кН, а у узлового соединения на болтах при приложении нагрузки в 13 кН. И в том и в другом случае резкого прощелкивания узла не наступило, произошло плавное продавливание и тонкостенные стержни приобрели отрицательные углы наклона. Переход через ноль сопровождался в первом случае продергиванием некоторых самонарезающих винтов на один-два шага резьбы, а во втором произошел срез двух болтов.

Результаты экспериментальных испытаний узловых соединений достаточно хорошо коррелируют с результатами конечно-элементного моделирования, что подтверждает объективность разработанной расчетной модели. Графики реального прогиба узловых соединений и сопоставление с теоретическими данными показаны на рисунке 10.

мм

Рисунок 10 Прогибы узловых соединений

Было выявлено, что разрушающая нагрузка и прогибы узлового соединения зависят от типа использованных крепежных элементов. Тем не менее, работа под нагрузкой узловых соединений весьма схожа. В обоих случаях, в диапазоне расчетной нагрузки (до 6 кН) после обмятая элементов и выработки всех начальных зазоров наблюдается линейная работа конструкции. При увеличении нагрузки свыше 9-9,5 кН наблюдается значительная нелинейность прогиба узловых соединений, что свидетельствует о нарастании пластических деформаций в местах соединения элементов узлового соединения. Узловое соединение на болтах обладает большей податливостью вследствие наличия зазоров между элементами узлового соединения и крепежом.

Наибольшие напряжения в цилиндре развиваются в стенке в верхней части, между стержнями, при этом на внутренней стороне цилиндра напряжения больше в 1,8-2,5 раза, чем на наружной стороне цилиндра. Значения напряжений в цилиндре приведены в таблицах 2 и 3.

Таблица 2 Напряжения на внутренней стенке цилиндра

Нагрузка Теоретическое значение, МПа Узловое соединение на самонарезающих винтах, МПа Разница с теоретическим значением, % Узловое соединение на болтах, МПа Разница с теоретическим значением,%

6 кН 42,21 44,73 5,63 50,71 16,7

12 кН 71,26 81,48 12,54 76,02 6,26

Таблица 3 Напряжения на наружной стенке цилиндра

Нагрузка Теоретическое значение, МПа Узловое соединение на самонарезающих винтах, МПа Разница с теоретическим значением, % Узловое соединение на болтах, МПа Разница с теоретическим значением,%

6 кН 8,74 7,21 17,51 10,69 18,24

12 кН 28,75 32,97 12,80 39,06 26,39

Пятая глава описывает разработку алгоритма поиска рациональной стрелы подъема купола, количества ярусов каркаса купола и создание подсистемы автоматизированного проектирования сетчатых куполов.

Был разработан критерий качества купольных конструкций, учитывающий как стоимость материала каркаса купола, так и стоимость его покрытия, в развернутом виде он может быть выражен в виде:

С0 = С„-р-Ч'.

+ + (1)

где С0 - критерий качества конструкции (общая стоимость материалов купола), Скг ~ стоимость одного килограмма материала стержней каркаса, и - количество стержней в конструкции, р - плотность материала стержня, ^ - площадь поперечного сечения /-го стержня, Ч*г - строительный коэффициент веса конструкции, х* ,г,!',г," - координаты начала и конца

/-го стержня каркаса купола, Скв - стоимость 1 м2 покрытия купола, 23 - диаметр купола,/- стрела подъема купола.

При поиске рациональной формы купола учитываем все реальные нагрузки на купол, определяемые по СП 20.13330.2011и СТО 36554501-0152008, варьируем стрелу подъема купола и количество ярусов каркаса купола. Максимальный диаметр купола ограничиваем размером в 30 м, максимальное количество ярусов купола 7, стрела подъема варьируется в пределах от 0,05 до

0.5.диаметра купола. При решении задачи сначала идет поиск рациональной стрелы подъема купола, а затем уже определяется наиболее рациональное количество ярусов каркаса купола.

Для поиска рациональных параметров купола была разработана подсистема автоматизированного проектирования Купол-Лира-Купол, которая обеспечивает автоматизированное создание расчетной схемы и оценку критерия качества конструкции.

При использовании разработанной подсистемы необходимо ввести исходные данные купола (диаметр, стрелу подъема, количество ярусов, нормативные величины нагрузок) в текстовом виде и экспортировать в ПК Лира, после чего расчетная схема купола будет создана автоматически.

После расчета купола и подбора сечений необходимо задать стоимость килограмма материала каркаса купола и стоимость квадратного метра покрытия купола и критерий качества конструкции, вычисляемый по формуле (1) будет определен автоматически. Имея вычисленный критерий качества можно проводить сравнение конструкций и выбрать наилучший вариант.

Использование разработанной подсистемы позволило выявить некоторые закономерности функции критерия качества:

1. При увеличении диаметра купола минимум целевой функции смещается в сторону большей стрелы подъема купола.

2. При увеличении нагрузки экстремум также смещается в сторону увеличения подъемистости купола.

3. Значительное влияние на величину рациональной стрелы подъема купола оказывает соотношение стоимости квадратного метра покрытия к стоимости килограмма стержней каркаса купола. При увеличении этого

соотношения минимум целевой функции смещается в направлении уменьшения стрелы подъема купола.

4. При увеличении количества ярусов каркаса купола значение целевой функции уменьшается.

В целом, наиболее рациональная стрела подъема существенно зависит от

параметров купола (диаметр, нагрузки, стоимость материалов) и может

колебаться в широких пределах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны узловые соединения для сетчатого купола со стержнями из легких тонкостенных холодногнутых профилей. Применение легких тонкостенных холодногнутых профилей позволяет снизить затраты металла на конструкцию на величину до 15%.

2. Разработана конечно-элементная модель узлового соединения стержневых элементов каркаса сетчатого купола. Проведено его численное исследование, установлено его напряженно-деформированное состояние. Выявлены наиболее напряженные зоны узлового соединения, предложены варианты его усиления подкрепляющими элементами. Определена наиболее выгодная конфигурация установки подкрепляющих элементов, при помощи численного факторного эксперимента получено математическое выражение зависимости теоретической массы узлового соединения от параметров подкрепляющих элементов. Установка подкрепляющих элементов в виде кольцевых ребер жесткости позволяет сократить массу узлового соединения на величину до 20%, по сравнению с узловым соединением без подкрепляющих элементов.

3. Проведен физический эксперимент по исследованию реального напряженно-деформированного состояния узловых соединений с креплением на болтах и самонарезающих винтах, установлена их несущая способность, деформативность, напряжения в элементах и характер разрушения. Выявлено, что узловые соединения с обоими вариантами крепежа обеспечивают восприятие расчетной нагрузки. Экспериментальное исследование подтвердило результаты численного моделирования, что говорит об объективности разработанной расчетной модели.

4. Разработан критерий качества купольных конструкций, учитывающий затраты материала как на каркас купола, так и на его покрытие. Создана математическая модель и алгоритмы выявления рациональной стрелы подъема и количества ярусов для сетчатых куполов.

5. Создана подсистема автоматизированного проектирования, дающая возможность создавать расчетные схемы сетчатых куполов с приложением всех расчетных нагрузок. При этом значительно сокращаются трудозатраты на создание расчетных схем сетчатых куполов, имеется возможность определить критерий качества конструкции по заданным параметрам.

6. С использованием разработанной подсистемы автоматизированного проектирования установлены закономерности изменения критерия качества конструкции при варьировании геометрических параметров купола. По результатам исследования составлены рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких тонкостенных холодногнутых профилей.

Основное содержание диссертации опубликовано в изданиях из

перечня ВАК Минобрнауки России:

1. Холопов, И.С. Сетчатый купол с новыми узловыми соединениями / И.С. Холопов, В.И. Тур, A.B. Тур // Промышленное и гражданское строительство. - 2012. - №10. - С. 60-62.

2. Тур, A.B. О критерии качества купольных конструкций / A.B. ТурУ/ Приволжский научный журнал. - 2012. - №4. - С. 61 -64.

3. Холопов, И.С. Исследование напряженно-деформированного состояния узлового соединения сетчатого купола / И.С. Холопов, В.И. Тур, A.B. Тур // Известия высших учебных заведений. Строительство. - 2012. - №4. -С. 104-111.

4. Тур, A.B. Автоматизированная программа подготовки исходных данных для расчета сетчатых куполов разрезки Кайвитга / A.B. Тур // Вестник Томского государственного архитектурно-строительного университета. - 2011. - №3. -С. 116-119.

Патенты на изобретения:

5. Патент РФ №2467133 МПК Е04В1/58. Узловое соединение тонкостенных стержней пространственной конструкции / A.B. Тур, В.И. Тур, И.С. Холопов - RU 24671333С2; заявл. 25.02.2011, опубл. 20.11.2012. Бюл. №32.

6. Патент РФ №2468157 МПК Е04В1/58. Узловое соединение стержней пространственной конструкции / С.А. Селин, A.B. Тур, В.И. Тур - RU 2468157С1; заявл. 10.06.2011, опубл. 27.11.2012. Бюл. №.33.

Публикации в других изданиях:

7. Тур, A.B. Об алгоритмах поиска оптимальной формы купола / A.B. Тур, С.А. Селин // Сборник материалов 46-й н.-т. конф. «Вузовская наука в современных условиях». - Ульяновск, 2012. - С. 14-16.

8. Тур, A.B. Возможности сокращения затрат на проектирование и возведение сетчатых купольных конструкций / A.B. Тур // Материалы 69-й Всероссийской н.-т. конференции «Традиции и новации в строительстве и архитектуре». - Самара, 2012, ч. 2. - С. 356-358.

9. Тур, В.И. Автоматизированная программа подготовки исходных данных при расчете сетчатых куполов на все виды нагружений / В.И. Тур, A.B. Тур // Тезисы докладов международной научно-практической конференции-выставки «Донбасс-ресурс 2011». - Киев, 2011. - С. 110-111.

10. Тур, В.И. Купольные конструкции из тонкостенных профилей / В.И. Тур, A.B. Тур, М.Н. Васильев // Тезисы докладов 45-й н.-т. конф. УлГ^ «Вузовская наука в современных условиях». - Ульяновск, 2011. - С. 126.

Автореферат

ТУР Алексей Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СЕТЧАТЫХ КУПОЛОВ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Подписано в печать 15.11.2013. Формат 60x84 1/16. Усл. печ. л. 1,00. Тираж 100 экз. Заказ 1074. ИПК «Венец» УлГТУ, 432027, г. Ульяновск, ул. Сев. Венец, д. 32.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АРХИТЕКТУРНО-СТРОИТЕЛЬНЫЙ

УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

04201452036

Тур Алексей Витальевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УЗЛОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ СЕТЧАТЫХ КУПОЛОВ ИЗ ТОНКОСТЕННЫХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ПРОФИЛЕЙ

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор И.С. Холопов

Самара - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

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

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ................11

1.1 Историческое развитие купольных конструкций..............................................................11

1.2 Развитие конструктивных схем металлических каркасных куполов 14

1.3 Конструктивные решения металлических сетчатых куполов........................18

1.4 Методики расчета купольных конструкций..................................................................................27

1.5 Оптимальное проектирование купольных конструкций........................................32

1.5.1 Развитие теории оптимального проектирования..............................................32

1.5.2 Параметры оптимизации купольных конструкций......................................35

1.6 Применение тонкостенных профилей в конструкциях покрытий..........37

1.7 Цели и задачи исследования....................................................................................................................................39

2. КОНСТРУКТИВНЫЕ РЕШЕНИЯ КУПОЛА ИЗ ЛЕГКИХ ХОЛОДНОГНУТЫХ ТОНКОСТЕННЫХ ПРОФИЛЕЙ И ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ЕГО НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ........................................................................................................................................................................................................41

2.1 Конструктивные решения сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей........................................................................................41

2.1.1 Стержневые элементы сетчатого купола..........................................................................42

2.1.2 Узловые соединения и покрытие сетчатого купола......................................44

2.2 Численное исследование напряженно-деформированного состояния сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей....................................................................................................................................................................................................57

2.2.1 Формирование расчетной схемы сетчатого купола......................................57

2.2.2 Напряженно-деформированное состояние сетчатого купола ... 59

2.2.3 Влияние податливости узловых соединений на напряженно- 62 деформированное состояние купола

2.2.4 Подбор сечений стержневых элементов сетчатого купола..............67

2.3 Выводы по главе

70

3. ЧИСЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО- 71 ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ СЕТЧАТОГО КУПОЛА 3.1 Расчетная модель узлового соединения и методика исследования 71 напряженно-деформированного состояния нового узлового соединения методом конечных элементов.......................................

3.2 Напряженно-деформированное состояние узлового соединения............77

3.2.1 Исследование узлового соединения без подкрепляющих элементов..............................................................................................................................................................................77

3.2.2 Исследование узлового соединения с подкрепляющими элементами ......................................................................................................................................................................86

3.3 Технико-экономическая оценка нового узлового соединения......................103

3.4 Выводы по главе..........................................................................................................................................................................106

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-

ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ УЗЛОВОГО СОЕДИНЕНИЯ .... 108

4.1 Конструкция исследуемого узлового соединения и испытательной установки......................................................................................................................................................................................................108

4.2 Программа исследования................................................................................................................................................117

4.3 Исследование материалов узлового соединения и стержневых элементов..................................................................................................................................................................................................126

4.4 Экспериментальные испытания узлового соединения................................................128

4.4.1 Испытания узлового соединения с креплениями на самонарезающих самосверлящих винтах..........................................................................128

4.4.2 Испытания узлового соединения с креплениями на болтах..............143

4.5 Выводы по результатам экспериментальных испытаний......................................158

5. ВЛИЯНИЕ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КУПОЛОВ НА ИХ ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И СОЗДАНИЕ

ПОДСИСТЕМ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ

КУПОЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ................................................................................................................................164

5.1 Постановка задачи..................................................................................................................................................................164

5.1.1 Описание расчетной модели................................................................................................................167

5.1.2 Целевая функция............................................................................................................................................168

5.1.3 Формирование системы ограничений..................................................................................172

5.2 Определение подзадач вариантного проектирования............................................175

5.2.1 Подзадача поиска геометрических параметров купола..........................176

5.2.2 Подзадача поиска распределения материала в куполе..........................178

5.2.3 Методы решения подзадач вариантного проектирования .... 180

5.3 Проектирование конструкций с использованием подсистемы Купол-ЛИРА-Купол ......................................................................................................................................................183

5.4 Структура подсистемы автоматизированного проектирования..................185

5.4.1 Описание подсистемы автоматизированного создания

расчетной модели..............................................................................................................................................187

5.4.2 Описание подсистемы расчета критерия качества......................................197

5.5 Интерфейс программы Купол................................................................................................................................198

5.6 Результаты использования подсистемы Купол-ЛИРА-Купол......................199

5.7 Выводы по главе..........................................................................................................................................................................204

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ИССЛЕДОВАНИЮ..................................................................................................206

ЛИТЕРАТУРА......................................................................................................................................................................................................208

ПРИЛОЖЕНИЯ................................................................................................................................................................................................220

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы:

Развитие современного строительства связано с необходимостью применения экономически эффективных, надежных, технологичных конструкций зданий и сооружений.

Одним из видов таких эффективных конструкций являются легкие пространственные металлические конструкции, в том числе сетчатые оболочки и купола. Купола обладают высокой архитектурной выразительностью и благодаря своей конструктивной форме могут перекрывать рекордные (250-300 м) пролеты. При этом следует отметить, что они наиболее экономичны по расходу материала по сравнению с другими жесткими конструкциями именно при больших пролетах.

Сетчатые купола широко применяются в строительстве за рубежом и являются одними из самых перспективных конструкций. В нашей стране сетчатые купола широкого применения не нашли. Это объясняется тем, что недостаточно отработаны методики их расчета, в том числе на устойчивость, практически отсутствует нормативная, научно-техническая и справочная литература по конструированию куполов.

Достоинства куполов - хорошие массовые показатели, возможность перекрытия больших пролетов, архитектурная выразительность, но кроме достоинств купола обладают и недостатками - чувствительность к искажению формы купола, сложные формы потери устойчивости, высокие требования к качеству и точности изготовления деталей. К этому можно также добавить, что широкому их внедрению в практику строительства препятствуют такие проблемы, как необходимость индивидуального изготовления элементов покрытия, высокие требования к квалификации рабочих, сложность расчета.

Одним из возможных путей сокращения затрат на возведение куполов

является применение легких стальных тонкостенных профилей. Легкие

5

стальные тонкостенные конструкции широко применяются в Европе, Восточной Азии, США, Австралии и имеют достаточно хорошие показатели за счет более эффективных типов сечений, которые в принципе не могут быть получены при прокате. В последнее время эти конструкции начинают находить применении и в России. Однако их широкому применению препятствует недостаток нормативной и справочной документации, а также недостаточная отработка конструктивных решений.

Для обеспечения экономической целесообразности массовой постройки куполов также необходимо снизить трудоемкость их расчета, разработать полноценную нормативно-техническую базу для их проектирования и строительства. Применение методов оптимального проектирования позволит еще больше повысить технико-экономические параметры куполов.

Таким образом, создание сетчатого купола из тонкостенных холодногнутых металлических профилей, исследование напряженно-деформированного состояния элементов купола, совершенствование конструктивных решений сетчатых куполов и их рациональное проектирование является актуальной задачей.

Целыо настоящей работы является совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей и исследование их напряженно-деформированного состояния. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- разработать эффективное узловое соединение, позволяющее соединять стержневые элементы купола, выполненные из легких холодногнутых тонкостенных профилей;

разработать конечно-элементные расчетные модели узловых соединений и провести численное исследование их напряженно-деформированного состояния;

- провести физический эксперимент по исследованию реального напряженно-деформированного состояния узловых соединений с креплением

стержней на болтах и самонарезающих винтах;

6

- разработать алгоритм поиска рациональной геометрической формы купола и программу автоматизированного проектирования купола из легких тонкостенных профилей;

- разработать рекомендации по расчету и конструированию сетчатых купольных покрытий из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

Научная новизна работы:

1. Разработаны новые узловые соединения сетчатого купола со стержнями из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Созданы конечно-элементные расчетные модели разработанного узлового соединения с различным расположением подкрепляющих элементов в узле, учитывающие физическую и геометрическую нелинейность. Определены особенности напряженно-деформированного состояния при различных соотношениях толщин тонкостенных элементов и их влияние на напряженно-деформированное состояние.

3. В ходе натурного эксперимента получены новые данные о несущей способности узловых соединений, их податливости, характере разрушения и влиянии типа использованного крепежа (болты и самосверлящие самоиарезающие винты) на напряженно-деформированное состояние и несущую способность.

4. Разработана математическая модель, алгоритмы поиска и подсистема автоматизированного проектирования для ЭВМ, позволяющие создавать расчетные схемы сетчатых куполов с наиболее рациональными стрелой подъема и частотой сетки стержней каркаса купола.

Методы исследования:

В ходе работы применялись следующие методы: 1. Численное исследование напряженно-деформированного состояния купола и его узловых соединений велось с применением вычислительных комплексов (Рсшар 10.1.1 с решателем ЫХ Ыаз^ап, Лира 9.4), основанных на методе конечных элементов.

2. Экспериментальные исследования узловых соединений проводились методами тензометрии с использованием измерительной техники на базе ЭВМ.

3. Методы математической статистики были использованы при обработке данных, полученных при экспериментальных испытаниях.

Достоверность результатов:

Достоверность результатов, полученных в экспериментальных испытаниях узловых соединений, обеспечена использованием научно-обоснованных методик, применением современной измерительной техники на основе ЭВМ и сертифицированного оборудования, исследованием фрагментов купола с узловыми соединениями, выполненными в натурную величину, использованием методов математической статистики при обработке данных, сравнением с данными, полученными другими исследователями. Достоверность численных исследований обеспечивается применением современных методов строительной механики, хорошей корреляцией с данными экспериментальных испытаний и сравнением с результатами, полученными в других работах.

Практическая ценность:

1. Разработанное узловое соединение позволяет применить в конструкции сетчатого купола стержневые элементы из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Разработанные расчетные модели позволяют определять напряженно-деформированное состояние узловых соединений при различных конфигурациях подкрепляющих элементов, неограниченной взаимной ориентации стыкуемых стержней в пространстве и любом сочетании нагрузок.

3. Разработанная подсистема автоматизированного проектирования позволяет значительно сократить трудозатраты на построение расчетной схемы сетчатого купола и определить наиболее выгодную стрелу подъема

и частоту сетки стержней каркаса купола.

8

4. Разработаны рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

На защиту выносятся:

1. Конструктивные решения новых узловых соединений для сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей. Новизна подтверждается двумя патентами РФ на изобретение.

2. Результаты конечно-элементного моделирования узлового соединения и методика его расчета.

3. Результаты экспериментальных исследований фрагментов сетчатого купола с выполненными в натурную величину узловыми соединениями на болтах и самосверлящих самонарезающих винтах и стержневыми элементами из тонкостенных холодногнутых профилей.

4. Критерий качества купольных конструкций, учитывающий стоимость материалов каркаса купола и его покрытия.

5. Подсистема автоматизированного проектирования, позволяющая в автоматическом режиме создавать расчетную схему сетчатого купола и оценить критерий качества конструкции.

6. Результаты поиска наиболее рациональной формы сетчатого купола по стреле подъема и частоте сетки стержней каркаса купола при реальных нагружениях.

Внедрение результатов работы:

1. Изданы рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.

2. Результаты исследования используются в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета, что подтверждается актами о внедрении.

3. Разработан проект выставочного павильона, покрытого сетчатым куполом из тонкостенных профилей, диаметр павильона 10,1 ми начата его сборка.

Публикации и апробация работы:

1. По результатам работы получено два патента РФ на изобретение.

9

2. Основное содержание работы опубликовано в 8 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 4 в изданиях рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.

3. Результаты работы докладывались на 4 всероссийских и международных конференциях в городах Мариуполь, Самара, Ульяновск.

Объем и структура работы:

Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов,

списка литературы (111 наименований), включает 38 таблиц, 138 рисунков.

Основное содержание диссертации изложено на 219 страницах

машинописного текста.

Личный вклад автора:

1. Разработка конструктивных решений узлового соединения, позволяющего использовать легкие холодногнутые тонкостенные металлические профили в конструкциях сетчатых куполов.

2. Разработка конечно-элементных расчетных моделей узловых соединений в расчетных комплексах, проведение их анализа и численное исследование напряженно-деформированного состояния узловых соединений.

3. Разработка установки для проведения испытаний, организация и проведение экспериментальных испытаний узловых соединений, обработка экспериментальных данных.

4. Постановка задач вариантного проектирования сетчатого купола и их решение.

5. Разработка критерия качества купольных конструкций.

6. Разработка подсистемы автоматизированного проектирования, позволяющей автоматически создавать расчетные схемы сетчатых куполов и определять критерий качества конструкции.

7. Разработка алгоритма поиска рациональной геометрической фо�