автореферат диссертации по строительству, 05.23.01, диссертация на тему:Усиление решетчатых колонн

о.

.... СТ.

сс. с>

о ~~ -з-

СЧ/

На правах рукописи

КАПЫРИН НИКОЛАЙ ВИКТОРОВИЧ

УСИЛЕНИЕ РЕШЕТЧАТЫХ КОЛОНН

Специальность 05.23.01 - Строительные конструкции,

здания и сооружения

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж -1997

Работа выполнена в Липецком государственном техничесю университете

Научные руководители: Заслуженный деятель науки РФ, член корреспондент РААСН, доктор технических наук, профессор Горев В. ] кандидат технических наук, доцент Путилин В. М.

Официальные оппоненты: - доктор технических наук, профессор Белый Г.И. ■ кандидат технических наук, доцент Немчинов Б.К.

Ведущая организация: Липецкий отдел ЦНИИЛМК (г. Липецк)

/

Защита состоится /9 _на заседай]

диссертационного совета Д 063.79.01 Воронежской государственш архитектурно - строительной академии, по адресу: 394006, г. Воронеж, у 20 - летия Октября, 84, ВГАСА, ауд. 20, к. 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежа« государственной архитектурно - строительной академии.

Автореферат разослан

Просим Вас принять участие в заседании совета и направить свой отзь на автореферат в двух экземплярах в секретариат совета по указанное адресу.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В.1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Необходимость более рационального использо-ания производственного потенциала страны обусловила острую потреб-ость в реконструкции зданий и сооружений. При этом сокращается срок купаемости капитальных вложений по сравнению с новым строитель-гвом, что очень выгодно при дефиците средств в бюджетах различных ровней.

Техническое перевооружение и реконструкция промышленных зда-ий и сооружений во многих случаях связаны с изменением нагрузок и оздействий. Это, прежде всего, повышение грузоподъемности и интен-двности работы подъемно-транспортного оборудования, установка бо-ее совершенного и мощного оборудования, установка дополнительных эммуникаций, увеличение шага колонн и т. д. Все это приводит к необ-эдимости повышения несущей способности эксплуатируемых стальных энструкций путем их усиления.

Одними из наиболее металлоемких и ответственных конструкций иний и сооружений являются колонны, в том числе, решетчатые, кото-ые имеют, как правило, треугольную без распорок схему решетки .

Усилению сквозных колонн посвящено весьма ограниченное число 1бот с исследованием отдельных частных вопросов, обоснованная мето-жа расчета таких колонн практически не разработана. В действующих эрмах проектирования не учитывается ряд факторов, влияющих на на-эяженно-деформированное состояние колонн при их усилении путем из-гнения схемы решетки. Так отсутствуют рекомендации относительно феделения и учета дополнительных напряжений в раскосах решетки, ко->рые возникают из-за продольной деформации ветвей (в СНиП П-23-81* 1ны рекомендации только для крестовой схемы соединительной решет-[). Не учитывается т^кже расцентровка раскосов. Все это определяет ак-

туальносгь темы диссертации.

Цель и задачи диссертации. Целью данной работы является разрг ботка методов расчета усиления стальных решетчатых колонн путем и: менения их сечения и схемы соединительной решетки.

Для решения поставленной задачи рассматривались следующие вс просы:

1. Определение параметров ветвей и решетки, существенно влияк щих на несущую способность решетчатых колонн, усиливаемых путем и; менения схемы соединительной решетки.

2. Разработка метода практического расчета усиления решетчаты колонн изменением схемы решетки.

3. Разработка алгоритма и прикладной программы по расчету ре шетчатых колонн, усиливаемых увеличением площади поперечного сеч« ния наиболее нагруженной ветви.

4. Выбор эффективной длины элемента усиления.

5. Оценка влияния площади поперечного сечения элемента усилени на несущую способность решетчатых колонн.

6. Проверка разработанной методики сравнением теоретически данных с результатами экспериментальных исследований.

7. Разработка практических рекомендаций по усилению решетчаты стержней путем увеличения площади их сечения.

Научная новизна:

- исследована несущая способность решетчатых стержней, усилен ных изменением схемы соединительной решетки путем постановки допол нительных распорок в колоннах с треугольной решеткой;

- показана целесообразность производства работ по усилению ко лонн путем изменения схемы решетки без разгрузки конструкций, либо минимальной разгрузкой, необходимой для выполнения сварочных работ

- разработана теоретическая модель и алгоритм определения напря

женно-деформированного состояния сжатого сквозного стержня, усиливаемого увеличением площади поперечного сечения ветвей;

- на основании численных исследований по разработанной прикладной программе выявлены особенности работы сквозных колонн, усиленных путем увеличения площади поперечного сечения наиболее нагруженной ветви;

- установлено, что при некоторых значениях относительного эксцентриситета и гибкости колонн возможны качественные изменения в поведении колонн на разных этапах нагружения с изменением направления изгиба;

- показано существенное влияние на несущую способность колонны ¡шины участка усиления лишь в определенных пределах, даны качественные оценки рациональных зон усиления;

- разработана методика расчета сквозных колонн, усиленных путем увеличения площади поперечного сечения ветвей, которая является развитием теории расчета усиленных стержней.

Достоверность результатов проведенных исследований обеспечена применением адекватных теоретических предпосылок, соответствующих физической сущности задачи, удовлетворительным совпадением теоретических результатов с данными экспериментальных исследований лабораторных моделей усиленных сквозных колонн.

Практическое значение работы:

- на основании проведенных численных расчетов типовых колонн даны рекомендации об эффективности усиления решетчатых колонн путем изменения схемы соединительной решетки;

- разработана методика и практические рекомендации по расчету усиления решетчатых колонн путем изменения схемы соединительной ре-летки с учетом изменения гибкости ветвей и их изгиба от продольного эбжатия;

- разработана программа для расчета усиления решетчатых кол от которая позволяет определить их предельную нагрузку при усилении nj тем увеличения сечения ветвей с применением сварки;

Внедрение результатов. Результаты работы были использованы проектно-конструкторской работе ТОО "Стройлегконструкция", Липе! кого отдела ЦНИИЛМК, а также ТОО "АРКА".

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работ) доложены:

- на научно-технических конференциях Липецкого государственног технического университета в 1996, 1997 г. г.;

- на Всероссийской научно-технической конференции, посвященно 40-летию Липецкого государственного технического университета 1997г.;

- на Липецкой областной научной конференции "Молодежь и науь на рубеже XXI века" в 1997 г.;

- на научном семинаре кафедры металлических конструкций Липе] кого государственного технического университета в 1997 г.

- на научном семинаре кафедры металлических конструкций Bopi нежской государственной архитектурно-строительной академии в 1997 г.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы оп бликованы в 5 статьях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пят глав, рекомендаций по расчету, выводов, списка использованной литер туры и приложения; содержит 175 страниц, в том числе 70 иллюстраци 11 таблиц и 120 наименований литературных источников.

На защиту выносятся:

- результаты исследования несущей способности решетчатых стер: ней, усиленных изменением схемы соединительной решетки путем пост новки дополнительных распорок в колонны с треугольной схемой соед

чительной решетки;

- методика и программа расчета сквозных колонн, усиленных путем увеличения площади поперечного сечения ветвей с применением сварки;

- результаты численных исследований работы сквозных колонн, уси-тенных увеличением площади поперечного сечения ветвей.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, отмечается новизна работы и ее практическое значение, перечисляются вопросы, выносимые ría защиту.

В первой главе рассматриваются известные способы расчета сжатых стальных стержней. Вопросам теории расчета сжатых и сжато - изогнутых элементов посвящены работы Н.В. Корноухова, С.П. Тимошенко, А.Р. Ржаницына, A.B. Геммерлинга, В.З. Власова, Н.С. Стрелецкого, В.В. Го-эева, Г.И.Белого и многих других ученых. Далее анализируются характерные дефекты и повреждения решетчатых колонн и способы их усиле-пия. Исследованием напряженно-деформированного состояния усиливаемых стальных конструкций занимались Е.И.Беленя, М.Р.Бельский, В.А.Гастев, Б.И.Десятов, И .Я .Донник, А.Г.Иммерман, А.И.Кикин, В.М.Колесников, М.НЛащенко, Е.О.Патон, И.С.Ребров, А.В.Столбов, З.Н.Тамбовцев, Г.А.Шапиро, М.Я.Шепельский и другие.

Вопросы влияния продольной деформации ветвей на напряженное »стояние решетчатых стержней, имеющих в соединительной решетке до-юлнительные распорки, а также расцентровку раскосов в узлах,рассматривались в работах А.В.Геммерлинга, В.И.Трофимова, Е.О.Патона, В.Е.Гибшмана и др.

В заключение главы на основе анализа имеющихся теоретических и жспериментальных исследований, посвященных усилению стальных кон-

струкций, сформулированы цели и задачи диссертационной работы.

Во второй главе рассматривается усиление решетчатых колонн менением схемы соединительной решетки.

При треугольной схеме соединительной решетки несущую спос< ность колонн можно повысить путем постановки дополнительных раа рок. При этом, положительному фактору - уменьшению свободных да отдельных ветвей сопутствует отрицательный - в ветвях появляются из бающие моменты из-за их продольной деформации, вследствие чего ве-работает как внецентренно-сжатый элемент. В связи с этим рассмат] валось влияние постановки дополнительных распорок на несущую с; собносгь колонн и отдельной ветви с учетом изгиба последней.

Для оценки несущей способности колонн наиболее приемлемой ляется методика расчета сквозных стержней по деформированной схей учетом взаимодействия общей и местной форм потери устойчивое предложенная В.В.Горевым. Распространяя эту методику на расчет шетчатых колонн, усиливаемых путем изменения схемы решетки, пред жено определять их несущую способность по формуле:

ДГ йЯуГо

Рв<РеА

где N - продольная сила;

А - площадь поперечного сечения колонны;

<рв, <ре - соответственно коэффициенты снижения несущей способно отдельной ветви и колонны в целом.

Для количественной оценки повышения несущей способно стержней в целом и отдельных ветвей проведен расчет типовых решет тых колонн, усиливаемых рассматриваемым способом.

Результаты расчета типовых колонн представлены в виде график на основании анализа которых сделаны выводы об эффективности уси

ния решетчатых колонн путем изменения схемы решетки и определены рациональные области такого способа.

Третья глава посвящена методике расчета решетчатых колонн, усиливаемых увеличением площади поперечного сечения наиболее сжатой ветви, которая основывается на следующих допущениях:

1. Число панелей, составляющих стержень, достаточно велико ( более 4...6 ), что позволяет заменить решетку эквивалентным на сдвиг однородным слоем.

2. Работа материала колонны и элемента усиления подчиняются идеализированной кусочно-линейной диаграмме, состоящей из трех линейных участков.

3. Величина сдвига решетки ( однородного слоя ) прямо пропорциональна поперечной силе.

4. Нормальная сила в поперечных сечениях колонны принимается постоянной по ее длине.

5. Контур поперечного сечения предполагается недеформируемым.

6. Местная устойчивость элементов решетки считается обеспеченной вплоть до момента исчерпания колонной несущей способности. Элементы решетки работают упруго на протяжении всего процесса нагружения колонны.

7. Поперечная сила целиком воспринимается элементами решетки.

С целью оценки несущей способности усиливаемых колонн разработана методика и прикладная программа для расчета на ЭВМ решетчатых стержней, имеющих усиленный .участок произвольной длины, который располагается любым образом по длине колонны. Принимается, что в пределах усиленного участка поперечное сечение постоянно (рис. 1).

X *

элемент усиления

Рис.1. Поперечное сечение колонны.

Колонна загружается сжимающей силой, приложенной с эк центриситетом в плоскости, параллельной плоскостям соединительнс решетки (рис. 2).

Рис. 2. Загружение колонны.

Усиление колонны приводит к смещению ее центра тяжести (ес) о носительно осей неусиленного сечения. С учетом остаточного сварочно! прогиба (/„,), возникающего в результате приварки элемента усилени расчетный эксцентриситет приложения силы будет равен: (еу+ /„) - для н усиленного участка и (еу - ес+- для усиленного участка.

При расчете усиленной решетчатой колонны численным методом ее несущая способность определяется путем поиска предельной точки на диаграмме равновесных состояний "нагрузка - перемещения" P(f). Для вычисления деформаций и напряжений в колонне все поперечное сечение разбивается на ряд достаточно малых площадок. Напряжение произвольной точки определяется выражением:

а = Е^ + S2ц у,-S,i{'(2)

где и 52 - характеристики сдвига, зависящие от единичного сдвига у у и определяемые по формулам: =

„ — 0. = ГуР ; Ç, v" - производ-1+ГуР 1 +ГуР

у. , у

ные функций неизвестных перемещений; Е5 - секущий модуль; у, ув - координаты центра тяжести элементарной площади (с/А), отсчитываемые от оси колонны и оси ветви соответственно.

Формуле напряжений соответствует система дифференциальных уравнений:

С

= / (3)

Р

M„

с переменными коэффициентами, которые могут быть записаны в форме матрицы / жесткостных характеристик сечения:

J =

¡EsdA JEsyedA \EsydA ' }E,ydA \EsyyedA \EjdA

(4)

Колонна по своей длине разбивается на три части, которые в свою

очередь - на произвольное количество участков, образуя дискретную м дель, состоящую из ряда поперечных сечений. Для каждого сечения к лонны записываются уравнения равновесия, которые совместно с грани ными условиями закрепления колонны на опорах и уравнениями нер; рывности на границах частей образуют систему уравнений относителы функций неизвестных перемещений.

Решение системы дифференциальных уравнений (3) производит методом последовательных приближений. В этом случае левые час-уравнений (3) заменяются разностью внешних и внутренних силов1 факторов, а функции перемещений - своими приращениями. Приращен] производных функций £(г), т](~) в каждом сечении выражаются чер приращения функций в соседних сечениях по формулам конечных разн стей. При этом каждому сечению ставится в соответствие своя матрица характеризующая его напряженное состояние.

При поиске предельной точки диаграммы равновесных состоят Р(/) сжимающей силе Р присваиваются значения, образующие во растающую последовательность. Для каждого значения Р, не прев! шающего величину предельной нагрузки РПт, определяются компонент перемещений путем последовательных решений системы линейных алге( раических уравнений с вычислением уточняющих добавок к перемещен! ям до совпадения с заданной точностью внешних и внутренних силовь факторов. Если при решении задачи итерационный процесс расходитс то осуществляется возврат к предыдущей величине нагрузки Р, и пои< предельной точки продолжается при на порядок меньших приращенш силы Р.

Разработанный алгоритм позволяет осуществить расчет колонн! усиливаемой на любой стадии ее нагружения.

Для практических расчетов разработана прикладная программа.

Четвертая глава посвящена сравнению теоретических результатов

данными эксперимента, проведенного в лаборатории "Испытания сооружений" Липецкого государственного технического университета.

Модели марки Н1 ... Н4 длиной 3,7 м изготовлялись из двух швеллеров №16, составленных полками внутрь и соединенных треугольной решеткой в двух плоскостях с помощью сварки, причем в стержнях Н2 ... Н4 в решетку добавлены распорки. В целях увеличения гибкости ветвей полки швеллеров были состроганы до ширины 35 мм. Элементы решетки выполнялись из круглой стали 010 мм (площадь сечения рабочей грани А л =1,57 см2. Угол наклона раскосов к ветвям (а) всех стержней составлял 45°.

В процессе испытания модели усиливались путем приварки к наиболее нагруженной ветви уголка 75 х 6, причем, модели Н2 ... Н4 усиливались по всей длине, а длина элемента усиления модели Н1 составила 0,9 длины самой модели.

Испытания моделей проводились на прессе ПММ-500 с погрешностью шкалы не более ±1%. Деформации в раскосах и ветвях регистрировались с помощью петлевых тензорезисторов, горизонтальные перемещения стержней - прогибомеров ПАО-6 (цена деления 0,01 мм). Деформации раскосов и ветвей фиксировались прибором АИД-2М.

Усиление моделей происходило в прессе после предварительного их загружения с выдержкой нагрузки. Причем уровень начального нагруже-ния модели Н1 составлял 0,7сгу , Н2 - 0,2ау, НЗ - 0,65сгу, Н4 - 0,4сгу.

Сравнение результатов экспериментальных исследований с данными расчета на ЭВМ подтвердили справедливость предложенной методики. Расхождение между экспериментальными и теоретическими значениями предельных нагрузок составляет 17 - 23% в запас несущей способности.

В пятой главе приведены результаты численных расчетов решетчатых колонн, усиливаемых увеличением площади поперечного сечения наиболее нагруженной ветви.

Неусиленный стержень имеет следующие характеристики, присущи реальным конструкциям:

- сечение составлено из двух двутавров, соединенных треугольно] без распорок решеткой;

- отношение ширины полки b двутавра к его высоте / b/li = 0,3 ... 0,75;

- отношение толщины полки tf двутавра к ширине полки I tf/b- 0,04 ...0,1;

- отношение толщины стенки tv двутавра к толщине полки tf tjtf= 0,6 ...0,8;

условная приведенная гибкость в плоскости pemeroi Хг/= 0,5... 2,5;

- отношение расстояния г между центрами тяжести ветвей к высот сечения двутавра h: rfh — 1 ... 5;

- отношение модуля упругости стали Е к ее пределу текучести о

EÍOy = 600 ... 1000;

- характеристика деформаций сдвига соединительной решета

2

Sdv = —.---= 80 ... 700.

At • г

- sin a eos а

А

Относительный эксцентриситет приложения сжимающей силы изм1 нялся в интервале от 0,1 до 6.

В главе приведен анализ влияния на несущую способность решетч; тых стержней длины элемента усиления, соотношения площадей попере* ного сечения элемента усиления и основного стержня, геометрических х; рактеристик сечения, смены знака эксцентриситета приложения силы noi ле присоединения элемента усиления.

Далее в работе приводятся рекомендации по практическому расчет решетчатых колонн, усиливаемых изменением схемы решетки и сечения.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработаны методика и приемы расчета усиления решетчатых элонн путем изменения их площади сечения и схемы соединительной ре-[етки.

2. Для расчета решетчатых колонн, усиливаемых путем увеличения пощади поперечного сечения ветвей, разработаны алгоритм и составлена рикладная программа.

3. Достоверность результатов расчета по предложенной программе одтверждена данными экспериментальных исследований крупноразмер-ых моделей.

4. Исследовано влияние конструктивных факторов и параметров силения на несущую способность усиливаемых колонн.

5. Длина элемента усиления существенно влияет на несущую способ-ость решетчатых колонн, усиливаемых увеличением площади попереч-:ого сечения ветвей, при значении условной приведенной гибкости 1,5 и юлее.

6. Соотношение площадей поперечного сечения элемента усиления и основного стержня значительно влияет на несущую способность колонн [ри значениях относительного эксцентриситета т<2.

7. Если в процессе усиления не меняется знак начального эксцентри-итета, то несущая способность возрастает независимо от длины участка 'силения. В противном случае - это возрастание имеет место до опреде-1енного предела.

8. Наибольшее влияние на несущую способность отдельной ветви три усилении изменением схемы соединительной решетки оказывает ее -ибкостъ. Постановка дополнительных распорок повышает несущую способность отдельной ветви на 25% и выше при гибкости последней от 70 и 5олее.

9. Соотношение площадей поперечного сечения раскосов и ветва дополнительных распорок и раскосов, а также угол наклона раскосов Н1 значительно влияют на несущую способность отдельной ветви.

10. Площадь поперечного сечения дополнительных распорок следуе назначать исходя из их предельной гибкости.

11. Постановка дополнительных распорок в колоннах с нецентрирс ванной в узлах решеткой менее эффективна по сравнению с колоннами центрированной решеткой.

12. Несущая способность решетчатых колонн при усилении измен< нием схемы решетки практически мало зависит от величины относител] ного эксцентриситета продольной силы т (максимальное изменение н< сущей способности колонн для значений т, изменяющихся в интервале о 0,1 до 10 и гибкости стержня в плоскости решетки, равной 80, составил 6%).

13. Усиление решетчатых колонн следует выполнять при уровне н; чального нагружения не превышающего значение 0,8 ау.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих рг ботах:

1. Путилин В.М., Тезиков Н.Ю., Капырин Н.В. К расчету усилени решетчатых колонн // Металлосгроительство - 96 (Состояние и перспектр вы развития): Международная конференция. Сб. трудов в 2 т. - Донецк Макеевка, 1996. - т. 2. - С. 39 - 40.

2. Оценка технического состояния усиливаемых решетчатых колонн Горев В.В., Путилин В.М., Кацеф Э.Б., Капырин Н.В. // Сборник тезисо докладов Всероссийской научно-технической конференции, посвященно 40-летию Липецкого государственного технического университета. - Ля пецк, 1996.-С.180- 181.

3. К вопросу усиления сквозных колонн / Горев В.В., Путилин В.М., "езиков Н.Ю., Капырин Н.В. // Вопросы надежности и совершенствована строительных конструкций: Сборник научных трудов. - Якутск. Изд-о Якутского ун-та, 1996. - С.38 - 43.

4. Оценка технического состояния и усиление решетчатых колонн I орев В.В., Путилин В.М., Тезиков Н.Ю., Капырин Н.В., Кацеф Э.Б. // 1зв. ВУЗов. Сер. Строительство и архитектура. - 1997. - №9.

5. Капырин Н.В. Расчет решетчатых колонн, усиливаемых путем величения площади поперечного сечения ветвей. - Инф. листок о передо-ом опыте №129 - 97. Липецкий ЦНТИ. 1997.