автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Стальные балки с несимметричной перфорацией стенки

Введение.

Глава 1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований балок с перфорированной стенкой.

1.1. Опыт проектирования и применения конструкций с перфорированной стенкой.

1.2. Теоретические исследования конструкций с перфорированной стенкой.

1.3. Достоинства и недостатки балок с несимметричной перфорацией стенки.

1.4. Объект и задачи исследований.

Глава 2. Экспериментальное исследование с балок с несимметричной перфорацией стенки.

2.1. Задачи исследований и образцы для испытаний.

2.2. Методика и организация проведения испытаний.

2.3. Результаты экспериментальных исследований.

2.4. Анализ результатов экспериментальных исследований.

Глава 3. Теоретическое исследование балок с несимметричной перфорацией стенки.

3.1. Оптимизация конструктивного решения.

3.2. Исследование напряженного состояния балок с несимметричной перфорацией стенки.

3.3. Исследование устойчивости элементов балки с несимметричной перфорацией стенки.

2.3.1. Устойчивость стенки большого тавра.

2.3.2. Устойчивость сжатого пояса над отверстием.

3.4. Методика расчета балок с несимметричной перфорацией стенки.

3.5. Сравнительный анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований балок с несимметричной перфорацией стенки

Глава 4. Рекомендации и внедрение.

4.1. Рекомендации по конструированию и расчету балок с несимметричной перфорацией стенки.

4.2. Внедрение балок с несимметричной перфорацией стенки в строительную практику.

Одной из важнейших задач исследований в области строительства является разработка новых конструктивных форм сооружений, позволяющих максимально использовать их несущую способность, снизить материалоемкость и себестоимость конструкций, что связано с внедрением методов оптимального проектирования, снизить затраты на изготовление и монтаж. Такой постановке задачи в большей степени соответствуют легкие металлические конструкции, в частности конструкции из прокатных профилей.

Поиски путей повышения эффективности прокатных двутавров привели к идее использования в строительных конструкциях своеобразной конструктивной формы - двутавра с отверстиями в стенке, который получается путем продольного роспуска стенки прокатного двутавра по зигзагообразной линии и последующей сварки по выступам стенки. В технической литературе он получил несколько названий: сквозной развитый по высоте балочный профиль, сквозной двутавр, двутавр с перфорированной стенкой. В настоящей работе используется последний термин, применяемый в нормах.

Эффективность двутавров с перфорированной стенкой по сравнению с исходными обуславливается возрастанием несущей способности первых за счет увеличения их высоты в 1,3 - 1,5 раза, что влечет снижение металлоемкости на 20 - 30% и снижение стоимости на 10 - 18%. По трудоемкости изготовления двутавры с перфорированной стенкой на 25 - 35% эффективнее, чем сварные составные двутавры, за счет сокращения операций обработки и объема сварки.

В целом преимуществами покрытий из двутавровых балок с перфорированной стенкой являются повышение несущей способности, экономия металла по сравнению с прокатными профилями, небольшая масса конструкции по сравнению со сплошностенчатыми балками и малая строительная высота по сравнению фермами.

Вышеперечисленные доводы позволяют сделать вывод, что применение таких конструкций дает ощутимый экономический эффект, а сами конструкции представляют интерес для научно-исследовательской работы.

К новой конструктивной форме перфорированных балок относятся балки с несимметричным расположением отверстий, которые обладают теми же достоинствами, что и традиционные перфорированные балки.

Цель работы - разработка рекомендаций по расчету перфорированных балок с несимметричным расположением отверстий в стенке (далее «балок с несимметричной перфорацией стенки») с учетом оптимизации конструктивной формы и на основе изучения их действительной работы под нагрузкой.

Для достижения этой цели потребовалось решение следующих задач:

1. экспериментальные исследования балок с несимметричной перфорацией для изучения их работы под нагрузкой, в том числе в предельном состоянии.

2. исследование влияния параметров реза исходных двутавров, технологических параметров изготовления и других факторов на эффективность балок с несимметричной перфорацией с целью оптимизации конструктивного решения;

3. теоретическое исследование плоского напряженного состояния балок при различных геометрических размерах отверстий;

4. исследование устойчивости стенки и сжатого пояса балок с несимметричной перфорацией с целью определения оптимальных размеров сечения;

5. исследование деформированного состояния балок с несимметричной перфорацией;

6. разработка практических рекомендаций по расчету балок, которые позволяют полнее использовать резервы несущей способности прокатных дву-тавровах балок.

Научная новизна работы состоит: 1. в исследовании новой конструктивной формы балки с несимметричной перфорацией стенки;

2. в разработке способа оптимизации конструктивного решения перфорированных балок с новым видом перфорации;

3. в определении влияния отверстий в стенке на деформативность балки с несимметричной перфорацией стенки;

4. в разработке практических рекомендаций по конструированию и расчету балок с несимметричной перфорацией стенки.

Практическое значение работы — заключается в разработке методики по расчету перфорированных балок с несимметричной перфорации стенки и рекомендаций по определению геометрических параметров реза этих балок, а так же в использовании в строительстве легких металлоконструкций с применением перфорированных балок с несимметричной перфорацией стенки.

Реализация работы. Разработаны проекты производственных зданий пролетом до 18 м и унифицированных сборно-разборных зданий пролетом до 12 м с применением в покрытии перфорированных балок с несимметричной перфорацией стенки. Отдельные части диссертационной работы были включены в материалы теоретического курса лекций "Металлические конструкции" для специальности ПГС МГУ П.

Апробация работы: основные положения диссертационной работы были представлены на научно-технических конференциях МГУП, полностью работа была доложена на научном семинаре кафедры «Инженерные конструкции».

Структура и объем работы: диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, библиографического списка, насчитывающего 90 наименований и вспомогательных указателей. Общий объем диссертации составляет 141 страницу, в том числе 73 рисунка и 4 таблицы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Проведение настоящего исследования показало, что конструктивное решение балок с несимметричной перфорацией стенки является более рациональным с точки зрения распределения материала и трудозатрат на изготовление по сравнению с традиционным решением перфорированных балок. В балках с несимметричной перфорацией нет ярко выраженных ослабленного и сплошного сечений, это позволяет произвольно определять месторасположение сосредоточенных нагрузок, жесткость вследствие циклического изменения положения центра тяжести по длине в таких балках постоянна, а площадь поперечного сечения равна площади поперечного сечения исходного двутавра в любом сечении. С точки зрения трудозатрат на изготовление - для балок с несимметричной перфорацией не требуется специальной установки для разворота разрезанных половин двутавра и суммарная длина сварных швов значительно меньше, чем суммарная длина сварных швов балки с симметричной перфорацией.

2. Выявлено, что основным параметром, влияющим на напряженное состояние балки с несимметричной перфорацией стенки, является глубина реза, а на деформированное состояние балки - длина перфорации, с увеличением длины перфорации растет деформативность балки, при этом снижаются затраты на резку и сварные швы. По результатам исследования в гл. 4 приводятся рекомендуемые размеры параметров реза.

3. На основе теоретического исследования напряженного состояния балок с несимметричной перфорацией стенки, проведенного численными методами теории упругости, определено, что:

- нормальные напряжения в малом тавре распределяются линейно, а в большом тавре на 1/3 высоты меняются по линейному закону со сменой знака; наиболее напряженными являются крайние точки сечения и точки, расположенные по верхней и нижней граням отверстия;

- касательные напряжения по величине и характеру распределения незначительно отличаются от касательных напряжений в балках с симметричной перфорацией стенки в зоне отверстий.

4. Получено качественное подтверждение теоретических результатов о распределении напряжений в сечениях исследуемых перфорированных балок в процессе проведенного экспериментального исследования .

5. Установлено, что соотношения размеров элементов, составляющих профиль балки с несимметричной перфорацией, не выходят за пределы рекомендаций обеспечения местной устойчивости, регламентируемых СНиП П-23-81*.

6. Характер деформаций балок с несимметричной перфорацией стенки обусловлен значительным влиянием поперечных сил, доля влияния которых зависит от глубины реза, длины перфорации и соотношения высоты перфорированной балки к пролету, и в исследуемых балках составляет от 32% до 48%. Экспериментальные исследования общего деформированного состояния балок подтвердили возможность использования предложенной формулы для определения прогибов.

7. Предложена методика расчета балок с несимметричной перфорацией стенки на основе которой разработана программа для ПЭВМ, включающая подбор сечения перфорированных балок, проверки прочности и деформативно-сти.

8. По результатам исследования составлены рекомендации по проектированию и расчету балок с несимметричной перфорацией стенки.

1. А.с. 1174541 СССР, МКИ Е 04 С 3/08. Способ изготовления двутавровой балки с шахматной перфорацией стенки /В.А.Песков, А.А.Заборский, С.Ф.Томских (СССР). № 3716511/29-33; Заявл. 30.03.89. Опубл.23.08.89, Бюл. №31, 8с.

2. Бирюлев В.В., Добрачев В.М. Стальные неразрезные балки из сквозных двутавров //Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. 1978. - № 11. - С.7-11

3. Бирюлев В.В., Кошин И.И., Крылов И.И., Сильвестров А.В. Проектирование металлических конструкций: Спец. курс. — Л.: Стройиздат, 1990. -432 с.

4. Бондаренко В.М., Зайцев П.И., Любимов А.А. Расчет стальных балок из разрезных прокатных двутавров с отверстиями в стенке: Сб. науч. тр.//Харьковский инженерно-строительный институт Харьков: ХИСИ, — 1963. - Вып.25. - С. 19-25

5. Брутка Я., Лубиньски М. Легкие стальные конструкции: 2-е изд. М.: Стройиздат, 1976. - 342 с.

6. Бунякин А.А., Прицкер А .Я., Сегал Б.А., Тоцкий О.Н. Мембранные панели покрытия //Промышленное строительство. 1974. -№11. — С.22-24

7. Вахуркин В.М. Форма двутавровых балок в условиях наименьшего расхода материала и в условиях наименьшей стоимости //Вестн. инженеров и техников. 1951. - № 5. - С.213-218

8. Ворожбянов В.Н. Совершенствование конструкций балок с перфорированной стенкой и разработка их расчета по ограниченным пластическим деформациям: Автореф. дис. канд. техн. наук. М.: ЦНИИПроектсталь-конструкция, 1985. —21 с.

9. Громацкий В.А., Гогешвили А.А., Каплан Г.М. Расчет на прочность сжато-изогнутого элемента из развитого двутавра //Строительные конструкции: Сб. науч. тр. М.: ЦНИИЭПсельстрой, - 1974. - № 9. - С. 3-10

10. Громацкий В.А., Чекалев Л.П., Каплан Г.М. Разработка, исследование и внедрение конструкций из развитого двутавра в сельском строительстве //Общие вопросы строительства (отечественный опыт): Реф. сб. — М.: ЦИНИС, 1974. - Вып.7. - С. 48-52

11. Горев В.В, Уваров Б.Ю., Филиппов В.В., Белый Г.И. и др. Металлические конструкции. В 3 т. Т 1. Элементы стальных конструкций. — М.: Высш-шая школа, 1997. 527 с.

12. Дробязко Л.Е. Легкие конструкции сельскохозяйственных зданий. — Киев: Буд1вельник, 1985. 136 с.

13. Дукарский Ю.М., Руссоник А.Б. Исследование облегченных конструкций из развитых двутавров //Промышленное строительство. — 1975. № 12. — С.38-39

14. Заборский А.А., Песков В.А. Сквозные двутавры с шахматной перфорацией стенки //Строительство и архитектура. 1987. - № 6. - С.4-7

15. Забродин М.П., Егоров В.В. Шпренгельные балки с перфорированной стенкой //Транспортное строительство. 1983. - № 9. - С.29-30

16. Жербин М.М., Чернолоз B.C. Стальные подкрановые балки эффективной конструкции //Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. — 1988. — № 3. С.14-17

17. Каплун Я.А. О методике оценки эффективности прокатных профилей //Проектирование металлических конструкций: Инф. реф. сб. М.: ЦИНИС, - 1969. - Сер.7. Вып.5(13). - С. 2-43

18. Каплун Я.А. О сортаменте широкополочных двутавров //Промышленное строительство. 1973. - № 10. - С.31-33

19. Каплун Я.А. Стальные конструкции производственных зданий из широкополочных двутавров //Промышленное строительство. 1976. - № 2. -С.35-38

20. Кейтс Л. Новый способ изготовления сквозных двутавровых балок. (Пер. с англ.) //Гражданское строительство. 1964. - № 7. - С.11-14

21. Киселев В.А. Плоская задача теории упругости. М.: Высшая школа, 1976.- 151 с.

22. Копытов М.М. Перфорированные стержни. Томск: Изд-во Томского университета, 1980.

23. Кузнецов В.В., Нестеров В.В. Современное состояние и тенденции развития строительства из легких металлических конструкций: Обзор. — М.: ЦНИИС, 1974.

24. Крылов Н.А. Воеводин А.А. и др. Оптимизация расчетных параметров строительных конструкций. — JL: Стройиздат, 1989. 112 с.

25. Ложкин Б.Г. Теоретические основы построения сортаментной стали //Вестн. инженеров и техников. — 1951. № 6. — С.240-245

26. Мельников Н П. Металлические конструкции. Современное состояние и перспективы развития. М.: Стройиздат, 1983. - 541 с.

27. Мельников Н.П. О проблеме экономии металла при проектировании металлоконструкций //Промышленное строительство. 1982. — № 3. - С. 1517

28. Мельников Н.П. Основные критерии выбора конструктивной формы //Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. — 1980. № 9. — С.3-11

29. Мельников Н.П. Разработка легких металлических конструкций важное звено в работе коллектива ЦНИИПСК //Промышленное строительство. — 1972.-№9.-С. 5-9

30. Металлические конструкции /под ред. Е.И.Беленя. 6-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1985. — 560 с.

31. Металлические конструкции. Справочник проектировщика /под ред. Н.П. Мельникова. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1980. - 776 с.

32. Мурашко Н.Н., Соболев Ю.В. Металлические конструкции производственных сельскохозяйственных зданий. Минск: Высшая школа, 1987. -С.34-41

33. Муханов К.К. Металлические конструкции. 3-е изд. перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1978. - 576 с.

34. Облегченные сквозные прогоны пролетом 12 м с перфорированной стенкой. М.: ЦБНТИ Минтяжстроя СССР, 1975.

35. Огородников Б.Е., Очинский В.В., Ротитейн Д.М. Некоторые вопросы расчета балок с перфорированной стенкой //Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. 1975. - № 10. - С.8-11

36. Ольков Я.И. Балки с перфорированными стенками: Руководство по проектированию для студентов. Свердловск: УПИ, 1972. - 34 с.

37. Ольков Я.И., Огородников Б.Е., Шульгина Л.Б. и др. К программе расчета балок с перфорированной стенкой /Совершенствование методов строительства нефтегазопромысловых объектов. М.: ВНИИСТ, 1975. - Вып. 31. — С.28—35

38. Остриков Г.М. Приближенный способ определения прогибов однопро-летных сквозных балок /Исследование, проектирование, изготовление и монтаж строительных конструкций: Тез. докл. Третья науч.-технич. конф. -Алма-Ата, 1972.39. Патент Японии № 43-18556

39. Перич А.И. Рациональные конструкции наземных сооружений магистральных трубопроводов //Строительство трубопроводов. 1971. - №2. -С. 16-18

40. Перич А.И. Рациональные конструкции сборно-разборных зданий //Промышленное строительство. 1970. -№ 11. - С. 13-15

41. Применение широкополочных двутавров в конструкциях производственных зданий и сооружений (технические решения): Науч.-технич. отчет ОИПС-66. М.: ЦНИИПСК, 1971

42. Разработать проектные предложения по поточным линиям для изготовления балок из широкополочных двутавров со сквозной стенкой: Науч.-технич. отчет ОТИМС-646. М.: ЦНИИПСК, 1973

43. Разработать технологический процесс механизированной сварки конструкций из широкополочных двутавров со сквозной стенкой при поточном изготовлении: Науч.-технич. отчет ОМСК-83. М.: ЦНИИПСК, 1973

44. Рекомендации по изготовлению сквозных развитых по высоте балочных профилей для строительных конструкций. М.: ЦБНТИ, ВНИИМонтаж-спецстой, 1976

45. Рекомендации по проектированию легких металлических конструкций. Балочные конструкции со сквозной стенкой: Науч.-технич. отчет ОПНК-95.-М.: ЦНИИПСК, 1972

46. Ржаницын А.Р. Теория составных стержней строительных конструкций. -М.: Стройиздат, 1948

47. Руссоник А.Б. Исследование прочности двутавровых балок увеличенной высоты /Гидротехнические сооружения, строительная механика, основания и фундаменты: Тр. МГМИ. М., 1976. - С. 87-96

48. Серия 1.860-4. Стальные конструкции покрытий сельскохозяйственных зданий. Вып. 1. Покрытия с арками из развитых двутавров пролетом 18 и 21 м. М.: ЦНИИЭПсельстрой, 1974

49. Серия 1.462-11. Стальные прогоны производственных зданий. Вып. 1. Сквозные прогоны пролетом 12 м. М.: ЦНИИПСК, 1976

50. Симаков Ю.Н. О результатах экспериментальных исследований конструкций из сквозных развитых двутавров /Теоретические и экспериментальные исследования по строительным конструкциям: Сб. науч. тр. М.: ЦНИИСК им. В.А.Кучеренко, 1976

51. Сквозные прогоны из двутавров с параллельными гранями полок /Технико экономическое сопоставление с решетчатыми прогонами по серии 1.462-5: Науч.-технич. отчет ОПНК-87. -М.: ЦНИИПСК, 1972

52. Скляднев А.И. Конструктивные формы и методы расчета балок с перфорированной стенкой: Автореф. дис. канд. техн. наук. — М.: МИСИ, 1978

53. Скляднев А.И. Пути повышения эффективности применения перфорированных балок //Изв. вузов. Сер. Строительство и архитектура. 1981. - № 10. -С.11—15

54. СНиП П-23-81* Стальные конструкции. Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1991

55. Солодарь М.Б. Решетчатые стальные балки из прокатных профилей //Бюллетень строительной техники. 1950. -№ 12. — С. 19-21

56. Справочник проектировщика промышленных, жилых и общественных зданий и сооружений: Расчетно теоретический /под ред. А. А. Уманско-го. - 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Стройиздат, 1973. - 416 с.

57. Стрелецкий Н.С. Курс металлических конструкций: Часть I. Основы металлических конструкций. М.: Стройиздат наркомстроя, 1940. - 844 с.

58. Троицкий П.Н., Вроно Б.М. Варианты решения путей подвесных кранов пролетом 12 м из сквозных бистальных балок //Промышленное строительство. 1982. - № 5. - С. 19-20

59. Холопцев В.В. К расчету балок из разрезных прокатных двутавров по теории составных стержней /Судостроение и судоремонт: Сб. науч. тр. Одесского института инженеров морского флота Одесса: ОИИМФ, 1968.-Вып. 2.-С. 17-27

60. Холопцев В.В. Метод расчета балок с отверстиями в стенке /Судостроение и судоремонт: Сб. науч. тр. Одесского института инженеров морского флота Одесса: ОИИМФ, 1958. - Вып. 16. - С. 112-130

61. Холопцев В.В. Расчет составных многопролетных неразрезных балок //Строительная механика и расчет сооружений. 1966. - № 3

62. Шестаков В.А. и др. Анализ некоторых конструктивных форм несущих металлических конструкций покрытий производственных зданий /Тр. преподавателей и слушателей университета Тула. - Вып. 23. - 1973

63. Шестаков В.А., Коновалов В.И. Экспериментальное исследование стальной формы с составными поясами /Подъемно транспортные машины -Тула. - Вып.4. - 1975

64. Чернашкин В.Г. и др. Изготовление облегченных металлических конструкций из развитых двутавров //Промышленное строительство. 1974. -№ 10. - С.19-21

65. Albert J., Retour V. Un example d'utilisation de pontrelles evidess dans les os-satures metalliquer //Acier Stahl - Steel. - №7-8. - 1961

66. Altfillisch M.D, Cooke B.R., Topras A.A. An investigations of welded open -Web expanded beam //Welding journal. №2. - 1957. - C.77-88

67. AT Humphrey and V.K.Sunley, Finite element analysis of expanded J section beam an axis-symmetric flanged cylinder: Conference Records, Advanced Stress Analysis, 3-14. Joint British Conference for Stress Analysis, Vol. 3. -№14. -1968

68. Cheng W.K., Hosain M.U. and Neis V.V. Analysis of castellated steel beams by the finite elements method: Proceedings of the Specialty Conference on Finite Element Method in Civil Engineering, Moutrede, Canada, 1-2. June. -1972

69. Cheng W.K., Hosain M.U. and Neis V.V. Application of finite element method to expanded open wed J section: Structural Engineering Report № 4, Civil Engineering Deportment University of Saskatchewan, Saskatoon, Canada, September. -1971

70. Delesque R. Le calcul de pouters ajoress //Construction Metallique. №4. -1969

71. Faltus F. Contribution an calcul des pouters a ames evidee //Acier Stahl -Steel. - №5. - 1966. - S. 229-232

72. Faltus F. Prolamovane nosniky //Technicky obsor. -№11.- 1942

73. Gardner N.J. An investigation in to the reflection behavior of castellated beams //Transaction of the Engineering Institute of Canada, Vol. 9. №A.7. — September. -1969

74. Gibson J.E., Jenkins B.S. An investigations of the stress and deflection in castellated beams //Structural Engineer. №12. - 1957. - P. 464^79

75. Halleux P. Analyse limite des pouters metalliques a ames evidee //Acier -Stahl-Steel.-№3.-1967

76. Havbok M.M., Hosain M.U. Castellated beams deflection using sub structuring //Journal of the structural Division Proceedings of the ASCE, Vol. 103. №1. -1977.-P. 265-269

77. Hening C. Der wabentrager Bauplanuhg - Bautechnik, — №4. - 1967. — P. 437—440

78. Hosain M.U., Cheng W.K., Neis V.V. Deflection analysis of expanded open-web steel beams //Computers and Structural, Vol. 4. №2. - 1974. - P. 327336

79. Hosain M.U., Speirs W.G. Deficience de pouters metalliqueu a ame evidee a la rupture de joints sounds //Acier Stahl - Steel. - №1. - 1971. - S. 34-40

80. Johnson H.J., Doolay G. Open wed beams for a Seattle office building // Civil Engineering. - March. - 1960

81. Litzka H. la production automatique de pouters a ame evidee de touns types de toute dimensions //Acier Stahl - Steel. - №11. - 1960. - S. 499-503

82. Mandel J.A. Stress distribution in castellated beams with rectangular web holes //ASCE, Vol. 94. February. - 1971

83. Nichtlinie fur die bemessung von wabentragern /Metal leictbankobinat, 1970

84. Pouter a ame ajouree et son precede de fabrication /V.Jakus, P.Jarmal, E.Kallos La patente 2.116.356 a ete pubie dans "Bulletin oficial de la Propriete indus-trielle", - №33. - 1972

85. Redwood R., Demirdjian S. Castellated Beam Web Buckling in Shear //Journal of Structural Engineering October 1998 - Volume 124, Issue 10, P. 12021207

86. Shoukry Z. Elastic flexural stress distribution in webs of castellated steel beams //Welding journal. №5. - 1965

87. Vesraghavachary K. Stress distribution in castellated beam //Proceeding of the ASCE, Structural Division, St. 2. 1972

88. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ УКАЗАТЕЛИ Условные обозначенияhg высота исходного прокатного двутавра; hp - высота реза (глубина реза) перфорированной балки; h - высота перфорированной балки; h\ - высота малого тавра; /?2 - высота большого тавра; а - длина перфорации;

89. Sx статический момент пояса относительно собственной оси; д - интенсивность равномерно распределенной нагрузки; Мх, Qx - изгибающий момент и поперечная сила в поперечном сечении балки;

90. QM поперечная сила в малом тавре; Qs — поперечная сила в большом тавре.