автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Теоретические основы расчета и проектирования фрикционно-подвижных соединений на высокопрочных болтах (ФПС)

На правах рукописи'

МУСТАФА ХАШЕМ МУСТАФА МУХАММЕД АЛИ

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА И ПРОЕКТИРОВАНИЯ ФРИКЦИОННО-ПОДВИЖНЫХ СОЕДИНЕНИЙ НА ВЫСОКОПРОЧНЫХ БОЛТАХ (ФПС)

Специальность 05.23.01 — Строительные конструкции, здания и сооружения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САНКТ-ПЕТЕРБУРГ 1996

Работа выполнена в Петербургском государственном университете путей сообщения.

Научный руководитель —

доктор технических наук УЗДИН Александр Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АЙЗЕНБЕРГ Яков Моисеевич;

кандидат технических наук ХУСИД Раиса Григорьевна

Ведущая организация — Пушкинское высшее военное инженерно-строительное училище (ПВВИСУ).

Защита состоится 11 июня 1996 года в 13.30 на заседании диссертационного совета К 114.03.02 при Петербургском государственном университете путей сообщения по адресу: 190031, Санкт-Петербург, Московский пр., д. 9, ауд. 2-303.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Университета.

Автореферат разослан « . . . » мая 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к. т. н., доцент

М. П. ЗАБРОДИН

СЕШАЯ ХАРАетЕРИСТГ: КЛ РАБОТЫ

Землетрясения являются одними из самых опасных стихийных бедстсий, приводящих к огромному матери эльчеаду ущербу и большому числу человеческих жертв. В езязи с этну сейсмостойкому строительству придается большой значение в нашей стране и яа Рубеком. Одним из методов сейсмостойкого строительства является всспедониз зданий и сооружений с ээдэными параметрами предельных состояний. Для этего етгут быть использованы фрикционно-подзижныа соединения на сысокопрочных болтах. Диссертация посвящена разработке теории и методов практического расчета и конструирования фрикциенно-подзижных соединений на высокопрочных болтах (ФПС), а также конструкций с такими соединениями.

Под фрикщ-оино-подзижными соединениями понимаются соединения металлоконструкций высокопрочными болтами, отличающиеся от обычных тем, что от-зерстия под болты в соединяемых деталях оыполнены овальными вдоль направления действия экстремальных нагрузок. При тзких нагрузках присходит взаимнэя сдвижка соединяемых деталей нз величину до 3-4 диаметров используемых высокопрочных болтов, что обеспечивает падение пиковых динамических нагрузок на сооружение и определяет его предельное состояние. Работа ФПС имеет ряд особенностей, которые существенно слияют на поведение конструкции в целом. При этом во многих случаях оказывается возможным снизить затраты на усиление сооружения, подверженного сейсмическим и другим интенсивным нагрузкам. В связи с этим применение ФПС в практике сейсмостойкого строительства лредставляется-весьма перспективным; исследования по этой теме были включены в план важнейших научно-исследовательских работ на 1980-1985 гг., утвержденный ГКНТ при СМ СССР и Президиумом АН СССР.

Однако проектирование рассматриваемых соединений вызвало серьезные трудности. Это связано с тем, что до настоящего времени нет теории работы ФПС не только для многоболтовых, но и для одноболтового соединения. Это сдерживает внедрение прогрессивных соединений в практику строительства.

В связи с эти тема диссертации является актуальной.

Целью диссертации является установление закономерности работы ФПС и создание на этой основе методов расчета и конструирования сооружений с ФПС, а также технических решений элементов конструкций с такими соединениями.

Научная новизна:

• построены уравнения, описывающие работу ФПС на различных стадиях их деформирования:

• получены решения построенных уравнений для с -овых и нахлесточных соединений;

• разработана методика и выведены расчетные формулы для перехода от одноболтозых к многоболтовым ФПС при оценке их несущей способности;

• сформулированы основные прнцилы конструирования ФПС;

• обоснована эффективность применения ФПС для сейсмозащиты зданий различного назначения.

Методик а исследований основана на испытаниях натурных соединений; построении математического аппарата и расчетных моделей для описания работы ФПС; численной оценке параметров этих соединений и построении диаграмм их деформирования; математическом моделировании сейсмических колебаний сооружений с ФПС.

Практическая значимость работы обусловлена возможностью проектирования на основе полученных результатов зданий и сооружений с заданными параметрами предельных состояний, прежде всего в сейсмостойком строительстве. Это обеспечивает снижение затрат на антисейсмическое усиление и ремонт сооружений после разрушительных землетрясений.

Достоверность результатов исследований подтверждается их соответствием экспериментальным данным НИИ мостов и имеющимся публикациям других авторов по рассматриваемому вопросу.

На защиту выносятся:

• теоретические основы расчета одно и многоболтовых стыковых и нахлесточных ФПС;

• методика и результаты определения параметров ФПС;

• принципы конструирования ФПС;

• результаты математического моделирования сейсмических колебаний различных сооружений с ФПС;

• технические решения узлов строительных конструкций с ФПС.

Результаты, полученные в диссертации, внедрены в институте АО

'Трансмост" при разработке типовых технических решений сейсмозащитных уст-

ройств мостов, а также при разработке инструктивных документов в Камчатском Центре по сейсмостойкому строительству и инженерной защите от стихийных бедствий. Здание с ФПС строится в настоящее время а г. Амман (Иордания).

Материалы диссертации доложены на научно-технических семинарах кг.федр Теоретическая механика" и "Строительные конструкции" Санкт-Петербургского Университета Путем Сообщения, на научно-техническом семинаре по динамике сооружений и сейсмостойкому строительству при Санкт-Петербургском Дома Ученых, на Международной конференции по сейсмостойкости урбанизированных территорий d г. Петропавловск-Камчатский.

Основные положения диссертации опубликованы в пяти печатных работах.

Диссертация содержит 110 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 10 таблиц и состоит из 6 глав, списка литературы (120 наименований) и приложения.

П пер пои рпзг.оле (введении) обоснована актуальность и дана краткая характеристика работы.

Второй раздел диссертации содержит анализ состояния исследуемого вопроса. Диссертационные исследования относятся к сравнительно новой области, появившейся в последние 20 лет в саязи с требованиями сейсмостойкого строительства. Ранее болтовые соединения с опальными отверстиями использовались о монтажных стыках конструкций для упрощения процесса монтажа, а не с цзлыо регулирования динамической реакции сооружения.

ФПС предложены а НИИ мостов ЛИИЖТа в 1985 г. и защищены несколькими готергкими свидетельствами. В предложенных соединениях болты пропущены через овальные отверстия в соединяемых листах. D процессе нагружения допускается взаимная подсижхз соединяемых листов вдоль оси овала, достигающая 5-10 см и более. Такое решение обеспечивает падемте пнксвых динамических нагрузок на с?еру>!'ен'.13 и спроделпет его предельное состояние. После дейстпия интенсивник нггрузок легко проводятся ремонтные работы. Для этого достаточно пореболтить соединении, в которых имели место значительные подвижки. По предварительным данным, имеющимся в работах А А Ники* шэ, А.Ю.Симкинэ. С С.Ткаиенко. П.З.Береэанцэвсй, САШупьмзна гримененяэ ФПС в транспортном строительстве позрог.'эт о 1.5 ... Л раза снизить сейсмические нагрузки на опоры '-остоп. Ссотпог-

ствующие конструкции узлоо сопряжения пролетных строений с опорыми предложены А.Л.Бриком, А.М.Уздиным, Р.Г. Хусид и другими специалистами.

При кажущейся простоте предложенного решения его практическая реализация вызвала значительные сложности. Пераыо испытания ФПС, выполненные и НИИ мостов показали, что рассматриваемые соединения не обеспечивает в общем случав стабильной работы конструкции. В процессе подзижки возможна заклинка соединения, задиры и оплавление контактных поверхностей соединяемых деталей и т.п. Отмеченные исследования позволили выявить способы обработки соединяемых листов, обеспечивающих стабильную работу ФПС, в частности, установлена возможность использования обжига листов, нанесения на них специальных мастик или напыления мягких металлов. Вместе с тем в упомянутых работах показана недопустимость использования для ФПС посксструйной обработки листов пакета, широко применяемых для обычных соединений. Однако имеющиеся исследования носят ограниченный характер, и до настоящего времени отсутствует теория работы ФПС даже для простейших одноболтовых соединений.

Третий раздел диссертации посвящон разработке теории деформирования и оценке несущей способности одноболтовых соединений.

Исходными посылками для разработки методики расчета ФПС являются экспериментальные исследования одноболтозых нахлосточных соединений. Анализ полученных диаграмм деформирования позволил выделить для них 3 характерных стадии работы, показанные на рис.1.

На первой стадии нагрузка Гнэ препышаот несущей способности соединения [Т], рассчитанной как для обычного соединения на фрикционных ботах.

На второй стадии Т > [Т] и происходит преодолении сил трзния по контактным плоскостям соединяемых элементов при сохраняющих неподвижность Оолто-1,ых шайбах. При этом за счет деформации Солюа о них растет сила натяжения и кз;< следствие возрастают силы трения по всем плоскостям контактов.

На третьей стадии происходит срыа с моста одной из шайб и дальнейшее ьзаимноо смещение соединяемых элементов. В процессе подоижки наблюдается интенсивный износ во есех кентэетных парах, сопровождающийся падением натя-мония болтои и снижением носу а1,ей способности соединения.

Для описания диаграммы дефсрмирсаания наиболее существенным прэд-стйоллзтси факт износа трущихся элементов согдич^ния, приводящий к прдению

натяжения болта и несущей способности соединения. Этот эффект должен определять работу как стыковых, так и нахлесточных ФПС.

Первая стадия работы ФПС не отличается от работы обычных фрикционных создинений. На второй и третьей стадиях несущая способность соединения изменяется вследствие изменения натяжения болта. В свою очередь натяжение болта определяется его деформацией и износом трущихся поверхностей листов пакета при их взаимном смещении. Для описания диаграммы деформирования ФПС использована классическая теория износа, согласно которой скорость износа V про-

Характерная диаграмма деформирования нахлесточных ФПС

Перемещения ми

Рис. 1.

1 - упругая работа ФПС при отсутствии проскальзывания;

2 -. возникновение проскальзывания между листами пакета

ФПС, при заклиненных шайбах болта;

3 - стадия скольжения одной из шайб болта по поверхности листа.

порциональна силе нормального давления (натяжения болта) N :

V = К N, (1)

где К - коэффициент износа.

В свою очередь сипу натяжения болта N можно представить в виде :

N = N„~a■íi + ANl-&Nг, (2)

Е1~

здесь Ы0 - начальное натяжение болта; а - жесткость болта; а = — , где / - длина болта, ЕР - его погонная жесткость; Д //, = к ■ /(з) - увеличение натяжения болта вследствие его деформации; Д //г =$>(.$) - падение натяжения болта вследствие его пластических деформаций; э - величина подвижки в соединении; Д - износ в соединении.

Для стыковых соединений обе добавки ДМ, = = 0 . Если пренебречь изменением скорости подвижки V, что представляется допустимым для условий проведенных экспериментов, то ее можно представить в виде:

{,= Л4 = с/ДА =

Л <1* Л "

где ■ средняя скорость подвижки.

После подстановки (2) в (1) с учетом (3) получим уравнение:

Д'-¿-о.Д = А-(ЛГ0 + *-./(*)-<*(*)), (4)

1 к где к - — .

' Р

Решение уравнения (4) можно представить в виде следующего общего интеграла:

1[Л"' ' р{:)] ' _ "о ' ° ' 1 ■ (5)

Л = Л/„ • о 1 + е '

Для стыковых соединений общий интеграл (5) существенно упрощаотся, так как в этом случае АЫ, = ДЛ', = 0, и обращаются в 0 функции /(:) и <р{:), входящие в (5) С учетом сказанного использование интеграла (5) позволяет получить следующую формулу для определения величины износа Д:

Л---(1-е '"') ы„-а ' . (6)

Падение натяжения <\Ы при этом составит :

ДЛГ = (!-<■ '") .V,, , (7)

а нчсу'щач способность соединения определяется по формуле

Как видно из полученной формулы, относительная несущая способность сое-Т

динэния Кт = — определяется всего двумя параметрами - коэффициентом износа

к и жесткостью болта на растяжение а. На рис.2 приведены зависимости Кт(х) для болта диаметром 24 мм при различных значениях толщины пакета I. Из рисунка следует, что с ростом толщины пакета падает влияние износа листов на несущую способность соединения. В целом падение несущей способности при реальных величинах подвижки составляет для стыковых соединений 25-50%, что приводит к росту взаимных смещений соединяемых деталей.

Зависимость снижения несущей способности соединения от величины подвижки

Рис. 2. При толщине пакета I О-1 - 20 мм; V ■ I = 30 мм; □ - / = 40 кт; О - / = 50 мм; V- 1 = 60 мм, О -1=70 мм; А -1 = 00 мм.

Для нахлесточных ФПС общее решение (5) определяется видом функций ./(л)

/

и ?>(.(). Функция /(у) зависит от удлинения болта вследствие искривления его оси. Если рассматривть болт как геометрически нелинейный стержень, то можно показать, что функция /(5) может быть представлена в виде:

= • (9)

где - единичная функция Хевисайда.

Для описания функции использовано следующее представление'.

40 = + К - ■ (1 -*"'М'))] ■ (I - - 50)] ■ 7 • М„) ■ (Ю)

Несущая способность соединения определяется при этом выражением:

Г=Г0-/>Д , (11)

где величина Д определяется по формуле: - при з <

/ N

• <12>

Л = Д"(л) = Л'(Л„) + • [. - ■ - , (13)

- при вр, < 5 < Эи

- при 5 > Бо

где /

Д = Д"'(*) = д"(5о) + ^1(1 - е•«.»)

(14)

Здесь /, - коэффициент трения, зависящий от скорости подвижки V. В диссертации использована наиболее распространенная зависимость коэффициента трения от величины V, записываемая в виде:

гдо к, - постоянный коэффициент.

Предложенная зависимость содержит 9 неопределенных параметров: ,к2, ку, 5^,, а, /„, Л^ и к. Эти параметры определяются из данных эксперимента.

Чвтпсптый раздал диссертации посвящен анализу экспериментальных данных и оценке параметров ФПС. При этом п диссертации использованы результаты испытаний нахлесточных ФПС, выполненных в 1985-90гг в НИИ мостов ЛИИЖТа. Эти испытания проеодились на однсболтовых ФПС с болтами наиболее распространенных диаметров 22, 24 и 27 мм и с покрытием листов мастикой ВЖС-41. Применение такого покрытия весьма удобно на практике, поскольку упомянутая мастика используется для консервации соединяемых деталей.

Обработка экспериментальных данных заключалась в определении упомянутых еышэ 9 параметров ФПС. При этом они варьировались на сетке их возможных значений и для каждой девятки параметров вычислялась по методу наименьших квадратов величина невязки между расчетной и экспериментальной диаграммами деформирования. В процесса расчетов для каждой экспериментальной диаграммы был необходим просмотр 1575000000 вариантов возможных значений параметров. Для этого была составлена программа для ЭВМ.

Сопоставление расчетных и натурных данных показало, что подбором параметров ФПС удается добиться хорошего совпадения соответствующих диаграмм деформирования ФПС. Однако сами значения параметров ФПС характеризовалась значительным разбросом. Вместо с тем, переход от одноболтовых к многоболтовым соединениям снижает разброс их параметров.

Пятый раздал диссертации посвящен разработке методики расчета много-болтогых ФПС. Эта методика разработана о предположении независимости работы Солтоз, что позволяет использовать для сценки математического ожидания несущей способности соединения Г, дисперсии Ог и среднеквадратичного отклонения а из-пестчио формулы:

г. - - -

¡'(^ $ .....«.)/,;(а.)/л(о:).../'|(сг,) ая, „'.г, ...</а, .

- [ ... [ 1- />, />. .../•, Лг, ¡/а, ... Лг, - Г , ¡МП)

I., V"

где 7(.s. а,.....а,) - зависимость несущей способности Т от подвижки s и п'ара-

/

метров соединения а,; в нашем случав в качество параметров а выступают коэффициент износа к, взаимное смещение листов при срыве S0 и др.; р(а,) - функция плотности распределения i-ro параметра.

По результатам обработки экспериментальных данных нами получены средние значения параметров и их среднеквадратичные отклонения. Для оценки статистических параметров многоболтового соединения по формулам (16) в диссертации использованы два возможных типа распределения р(а): равномерное и нормальное. Результаты расчетов сопоставлены между собой, а также с данными натурных испытаний двух, четырех и восьмиболтовых ФПС.

Наиболее просто оценизается несущая способность для стыковых соединений. Они характеризуются всего дзумя параметрами - начальной насущей способностью Т„ и коэффициентом износа к.

При использовании равномерного закона распределения параметры соединения имеют вид: - несущая способность

В этих зависимостях приняты следующие обозначения: п - число болтов в соединении; - математической ожиданий начальной несущей способности соединения; Д - математическое ожидание коэффициента износа коптатгмых пар; 5 - озлн-чина подними в соединении; о»- среднеквадратичное отклонение коэффициента износа контаетных пар.

Расхождониз в расчетах несущой способности соадинзния Г„ и величины а аычнсленныз с использованием разноверного и нормального законов распределения при реальных подзижках .$ < 60 мм не пресосходят 3%.

Для удобства практических расчетов в опСотс. вэедси безразмерный коэффициент перехода ст ойноболтового к многсболтоэому сосдин-нию С который для

T^n-li-e-1" F(x) ,

(17)

- среднеквадратичное отклонение носущзй способности

(18)

где F(x) = ; x = s-a-o,-J}

равномерного закона распределения представлен следующим образом:

. , (19)

я /„ е ' х

Аналогично селичинз С геедонз относительная величина среднеквадратичного отклонония с,:

(20)

Нз рисунке 3 пр:<оед»н:.4 зависимости . Как видно из рисунка, величина £ (.-ало ¡■зченязтся пгч1 изменении подвижки г. Это связано с тем, что значение х относительно мало и с достаточной степенью точности можно считать, что » !. Тогда величина 5 может Сыть выражена следующим образом:

Полученные зависимости позволили рекомендовать седующую простую формулу для оценки расчетной пасущей способности многоболтсвого соединения:

Г.!1" = 7<>п(С±Х-$ . (22)

Для нахлеегочиых соединений использование интегралов (16) усложняется. Однако, с практической точки зрения в (19) представляется важным учесть лишь максимальную силу трения 7"™, смещение при срыве Э» и коэффициент износа к. При этом участок диаграммы деформирования соединения между точками (0, Г0) и (5„,Гт„) аппроксимируется а диссертации линейной зависимостью.

Математическое ожидание несущей способности нахлесточного соединения из п болтов определено в соответствии с (16) следующим интегралом:

| | | ^ />($) рЩ . (23)

Этот интеграл был приведен к удобному для вычислений виду, причем для равномерного закона распределения оказалось возможным выразить его явно через интегральную показательную функцию Ег.

? = «(/,+/,), (24)

где

Зависимость относительного разброса £ от величины подвижки при различных значениях числа болтов п

в 0.5

о 0.4

8. 0.3

0.1

0.0

ид.

□И::: нгптт

ТШП

±ш-\

1.1_и

1_I_1_

±1:

J_I__1_I

10 20 30 40 50 60 Подвижка ми

70

Рис. 3.

! О (*<5,-сгл/?

к—сХиМ.1 \ I \ /

(V -V -ф-Ч-о-.Тз)]

причем К(г) = [«* - о', -*/з)| - (* + >/з)| ■

Полученные ф рм/лы были сопоставлены с данными экпериментальных исследований 2-х, 4-х и 8-ми болтовых соединений. Результаты такого сопоставления проиллюстрирована на рис.4. Из рисунка видно нэ только соответствие натурных и расчетных донных, но и снижение разброса несущей способности соединения с увеличением числа болтов.

Я тостом раздало диссертации рассмотрены вопросы проектирования ФПС и их применения для сейсмоэащиты строительных конструкций.

Наиболее важной характеристикой рассматриваемых соединений является степень стабильности их работы в процессе подвижки. Как показано в первом разделе диссертации, стабильность работы соединения определяется способом обработки поверхностей соединяемых деталей. Традиционный подход к фрикционным соединениям на высокопрочных болтах, согласно которому целесообразно максимально увеличивать коэффициент трения, для ФПС оказывается не приемлемым. Для увеличения сил трения в традиционных соединениях увеличивают шероховатость контактных поверхностей. Для ФПС повышенная шероховатость обжатых деталей ¡зедет к задирам контактных

поверхностей в процессе подвижки и к нестабильной работе соединения. Таким образом, основным требованием при проектирована ФПС является повышение гладкости контактных поверхностей и снижение коэффициента трения.

Выполненный анализ работы ФПС позволил сформулировать требования к их расчету при проектировании. Прежде всего, ФПС должны удовлетворять требованиям норм, предъявляемым обычным фвикционным соединениям. Это означает, что на эксплуатационные нагрузки ФПС рассчитываются также, как и обычное соединение на высокопрочных болтах. Однако, в отличие от них, ФПС необходимо рассчи-

Сопоставление экспериментальных и расчетных диаграмм деформирования ФПС для четырех (а) и восьмиболтовых (б) соединений

80 70

■5 Б0

К 50 о

+0 30 20

а)

б)

:п гтт;.ггг т ттхт нгг г

-Н-Л

Т1

I \

ФйЗг ■

I I

гЬН........!.....!.....И

_1_1_1_

_!_1_1_

J_1_

0

10 20

30 40 50 60 70 Подчпжка мы

ВО

20 30 40 50 60 70 80 Подвижка ым

Рис. 4. © - расчетная диаграмма; 0, I", О. V,*, +,Д экспериментальные диаграммы.

тывать по предельным взаимным подвижкам соединяемых деталей и по несущей способности соединения после максимальной подвижки. Для этого должно выполняться условие:

и < * • </ , (25)

где и - подвижка в соединении, с/ - размер полуовала, к - коэффициент запаса, принимаемый в зависимости от степени ответственности сооружения и статистических характеристик соединения.

Условие (25) определяет размер овального отверстия ФПС.

После экстремального нагружения соединения происходит резкое падение его несущей способности. Хотя ремонтные работы для конструкций с ФПС достаточно просты и заключаются в подтяжке болтов на практике проявляется необходимость передачи ограниченной нагрузки на конструкцию до проведения ремонтных работ. При землетрясении такие нагрузки возникают как при автершоках, так и при обеспечении неотложной помощи пострадавшему району. (Например, по мосту, перенесшему землетрясение, необходимо пропустить отряды спасателей и вывести больных и раненых). Требование ограниченной эксплуатации сооружения приводит к следующей дополнительной расчетной проверке:

, (26) где <Г • коэффициент деградации несущей способности соединения; Г - начальная несущая способность соединения; N - нагрузка на соединение.

Для расчета несущей способности одно- и многоболтовых соединений, а так-).<з коэффициента деградации С могут быть использованы формулы, полученные а работе. Для оценки величины подвижки а соединении и необходим специальный рзечог конструкции с ФПС. Для этого з диссзртацги разработана методика, позэо-лпющап использовать лечат прикладных программ, разработанный в КамЦентрэ, ПГУПС и АО "Трансмост". Упомянутый пакет программ обеспечивает возможность рзеюта прснсиольнкх стержневых систем на динамические нагрузки, причем стержни »,:эгут обладать нелинейными свойствами. Нелинейные стержни моделируются набором элементарных нелинейных элементов типа дэмпфероз сухого трения, евлзгй ограниченней несущей способности и т. л. Атгсром предложена элементарная связь, модзлируюирл работ/ ФПС и разработана соответствующая программу, дак.рая была включена о библиотеку программ нелинейных связей упомянутого ррг.-раммнего ког,*ппйкса.

В соответствии с методикой использованного пакета программ для ¡-го состояния системы (линейного участка диаграммы деформирования) уравнение колебаний является линейным и описывается матричным уравнением:

MY + В,Y + R.Y = -MYn + />„,''' + r¿' , (27)

где M - матрица инерции системы; У - вектор обобщенных перемещений; В, - матрица демпфирования системы в состоянии "i"; Rr матрица жесткости системы в состоянии "i"; У0- вектор кинематических возмущений; Ре/1 - вектор сил, действующих на обобщенные массы со стороны демпферов сухого трения; Pj1' - вектор сил, действующих на обобщенные массы сызванные остаточными смещениями в закрытых демпферах сухого трения.

Специфика работы ФПС проявляется при решении уравнения (27) в задании векторов Pop® и Pjn, а также в условиях перехода системы из одного состояния в другое. Эта специфика учитывается в формуле для определения сипы трения:

Т = , (28)

где s - величина суммарной подвижки в соединении.

С использованием предложенной методики и программного обеспечения были разработаны технические решения сейсмостойких зданий с СПС. При этом рассмотрены два типа зданий; жилое с гибким нижним этажом и металлическое производственное здание. Наиболее эффективным оказалось применение ФПС для повышения сейсмостойкости сейсмоизолированного жесткого здания с гибким нижним этажом. Как известно, без дополнительных антисейсмических мероприятий такие здания на язляются сейсмостойкими. Для позышзния их сейсмостойкости обычно применяется либо адаптивная сейсыозащита, либо специальные системы демпфирования. Использование ФПС позволяет совмостить принципы адаптивной сейсмо-защиты (поочередного выключения спяз&й) и ссйсмогашения. С этой целью колонны нижнего этажа выполняются состазными и соединяются с помощью фланцезого стыка на фрнкциэмно-пэдвпжных болтах. При этом используются дза типа колонн -кестлиа и гибкие. Применительно к условиям стрите;.-cica на Ближнем Востоке рассмотрен случай трехэтажного здания с меткой конструктивной схемой, у которого несущими конструкциям,i нижнего атгжа язляигся cncrewj упомянулn«noiw. Принципиальное техническое рошечью такого здания и угпэа сс-дичсн/'я копен.! пркзэдгме но рис.б.

Период КОЛЬбзНКЛ ЗДг'НИЯ Т при OTCyTCTtiV'H np.'^c1 V.bJ. ¡¡ vfic r; •».)

Схематичный чертеж (а) и расчетная схема (б) здания с гибким нижним зтажем и ФПС

а)

б)

Рис. 5.

1 - жесткая надстройка; 2 - гибкие стойки: 3 - жесткие стойки с ФПС; 4 - нижняя фундаментная плита.

0.2 с, а при скольжении в соединении Т= 2.1 с. В прцессе расчета и проектирования осуществлялась оптимизация сил трения в ФПС по условию минимизации ускорения верхнего этажа при ограничении смещений в уровне гибкого этажа. Результаты расчета показали, что за счет при менения ФПС сейсмические нагрузки на здание могут быть снижены более, чем в 3 раза при допустимом смещении верхнего этажа.

Рассмотренное в работе промышленное здание характеризуется высокой сейсмостойкостю, т.к. его несущей конструкцией является легкий и гибкий металлический каркас с периодом основного тона колебаний 2.1 с и коэффициентом динамичности р < 1. Однако и в этом случае ипользованиа ФПС для крепления конструкций кровли к колоннам обеспечило снижение усилий в колоннах на 22%.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Проведенные исследования позволяют сделать следующие основные выводы и рекомендации:

1. Фрикционно-подаижные соединения (ФПС) дают возможность реализовать принцип проектирования широкого класса зданий и сооружений с заданными параметрами предельных состояний для восприятия экстремаьных нагрузок без обрушения основных несущих конструкций и облегчения ремонтных работ после действия этих нагрузок. Однако, использование ФПС до настоящего времени затруднено из-за ограниченности исследования работы таких соединений и отсутствия рекомендаций по их применению.

2. Основной особенностью работы ФПС является износ контактных поверхностей соединяемых листов пакета, вследствии чего изменяется натяжение болтов соединения и его несущая способность. Эта особенность заложена в основу предлагаемой тоории работы ФПС.

3. В диссертации получены дифференциальные уравнения деформирования стыковых и нахлесточных ФПС и построен их общий интеграл. При этом для стыкзых соединений зависимость несущей способности соединений от подвижки листов пакета является экспоненциальной, а для нахлосточмого соодинония эта зависимость является болев сложной и характеризуется наличием трех участков на диаграмме деформирования.

Полученные в работе уравнения, описывают реальные диаграммы деформирования одноболтовых нахлесточных соединений. Эти диаграммы определяются в общем случае 9 параметрами, эти параметры ФПС могут быть определены по методике, предложенной в диссертации на основе экспериментальных исследований работы соединений путем минимизации среднеквадратичного отклонения теоретической диаграммы деформирования от экспериментальной. Проведенная обработка экспериментальных данных наиболее распространенных болтовых соединений с болтами диаметром 22 и 24 мм при обработке контактных поверхностей мастикой ВЖС-41 позволила получить математическое ожидание и дисперсию значений перечисленных лараме зв.

4. С использованием статистических характеристик параметров одноболтового соединения в работе получены общие формулы для описания диаграммы деформирования многоболтовых соединений. При этом разброс параметров результирующей диаграммы деформирования уменьшается с увеличением числа болтов. Для стыкового соединения проведено сопоставление результатов построения диаграмм деформирования в предположении равномерного и нормального распределений параметров и установлена независимость результатов расчетов от принятого закона распределения. Кроме того показано соответствие расчетных и натурных диаграмм деформирования.

Как показал статистический анализ экспериментальных данных, среднеквадратичное отклонение о, несущей способности соединения практически не зависит от величины подвижки. При этом для расчета несущей способности Т„ многоболтовых соединений, состоящих из "п" болтов, в работе получена оценочная формула.

5. Для анализа работы сооружений с ФПС в диссертации предложен алгоритм расчета на сейсмические и другие интенсивные нагрузки и разработано программное обеспечение, которое оказалось возможным состыковать с пакетом программ динамического расчета конструкций, имеющегося в Российском Центре по сейсмостойкому строительству и инженерной защите от стихийных бедствий. На основе анализа результатов расчетоз установлено, что для определения усилий в элементах системы в запас прочности можно заменять ФПС демпфером сухого трения. Для расчета же смещений в ФПС такая замена не допустима, т.к. она может приводить к их занижению в 3-4 раза по сравнению с фактическими.

6. При проектировании ФПС следует принимать минимально возможные величины коэффициента трения контактных, поверхностей, обеспечивая необходимую

сипу трения за счет увеличения диамотра и количества болтов. При прочих равных условиях необходимо отдавать предпочтение использованию толстых пакетов и увеличению числа болтса в соединении, т.к. в этом случао уменьшается разброс статистических характеристик ФПС и влияние деградации трения (износа) на их несущую способность.

7. При расчете параметров ФПС в отличие от обычных болтовых соединений необходимо исходить из следующих предельных состояний конструкций:

• отсутствие подвижек в ФПС при эксплуатационных нагрузках;

• ограничение максимальных ускорений конструкции при экстремальном на-гружении;

• ограничение максимальных перемещений в ФПС величиной суммарной длины полуовалов отверстий под болты;

• обеспечение возможности ограниченной эксплуатации сооружения при возникновении расчетных подвижек.

8. Для сооружений с ФПС установлена возможность оптимальной настройки соединения по трению, минимизирующей максимальное ускорение в конструкции, а также существование двух возможных режимов движения конструкции при синфазном и противофазном перемещениях соединяемых элементов.

9. Полученные результаты использованы автором при разработке технических решений жилого и промышленного зданий с применением ФПС. Особенно эффективными оказались эти соединения для создания дополнительных скользящих опорных элементов в сейсмостойких зданиях с гибким нижним этажам. При этом оказалось возможным более чем в три раза снизить сейсмические нагрузки на здания при допустимом взаимном смещении фундаментных плит.

Ос1юпж>!3 положения диссертации опубликованы я следующих работах:

1. Уздин A.M., Бенин А.В., Мустафа Хашем Али. Исследование работы фрикционно-подвижных соединений при сейсмических нафузках. II ЗИ ВНИИИС, "Сейсмостойкое строительство", Выл. 1. 1994, с 32-36.

2. Петров В.А., Мустафа Хашем Али. Оценка параметров фрикционно-подвижных соединений для сейсмостойкого строительства. // ЭИ ВНИИНТПИ, "Сейсмостойкое строительство", Еып.2,1ЭЭ5, с.26-29.

3. Уздин A.M., Мустафа Хешем Агл. Оценка параметров диафаммы деформирования многоболтозых фрикционно-подвижных соединений (ФПС). II ЭИ ВНИИНТПИ, "Сейсмостойкое строительство", Вып.5,1995, с.24-30.

4. Мустафа Хашем Али, Уздин A.M. Использование фрикционно-подвижных соединений для проектирования сейсмостойких конструкций с заданными параметрами предельных состояний II 1-ая Международная конференция "Сейсмическая безопасность урбанизированных территорий" / Сборник тезисов докладов, с.76.

5. Мустафа Хашем Али. Практические методы расчета стыковых фрикционно-подвижных соединений при проектировании сейсмостойких конструкций с заданными параметрами предельных состояний II ЗИ ВНИИНТПИ, "Сейсмостойкое строи-тельстпо", Выл.6,19S6, с. 33-37 (принято к печати)

6. Mustafa Hashem A!i, A.M. Uzdin. The use of tha friction-movable braces for designing of seismic proof structures with predetermined parameters of ultimate conditions. Prcc. of 11 World Conf. on earthquake engineering, (принято к печати)

Автор сыргкгот признатольность депонту М.П.Забродину за консультации по разделу 6 диссертации.

Подписано к пита? и it .16.96 г. vcp^as 60xiA I/16 Вунага для !.:iio::::i. апи. Псчагь о'сет.чая Усл.п.л. 1,31 Тиран ICQ экз. Заказ !_> Г5-/

Тип» ЛГ/ПС ISC03I, C-iloTeiiijps, ЦоскоаскиЯ i.p.,9