Введение к работе
В области металлостроительства ведется постоянный поиск новых конструктивных решений зданий и сооружений, причем основное внимание обычно уделяется снижению материалоемкости. В связи с этим широкое распространение получили сквозные решетчатые металлические конструкции, в которых наиболее полно удается реализовать принцип «концентрации материала» и сосредоточить металл в области максимальных напряжений. Решетчатые конструкции часто связывают с понятием «легкие металлоконструкции». Объясняется это тем, что поиск конструктивной формы, обладающей минимальной массой, позволил получать конструкции с расходом стали 20...45 кг на квадратный метр площади здания.
Наибольшее применение решетчатые конструкции находят в покрытиях промышленных и сельскохозяйственных зданий: фермы, прогоны, арочные конструкции и др. Причем эти конструкции могут быть не только плоскими, но и пространственными. Широко применяются решетчатые конструкции при строительстве мачт, башен, опор ВЛ и других сооружений.. .
Несмотря на столь обширное применение, существующие технические решения решетчатых конструкций не являются в настоящее время достаточно технологичными, так как их изготовление не соответствует современному уровню технического развития отрасли.
Любая решетчатая конструкция состоит из большого количества сборочных марок. Каждый элемент проходит на заводе длинную цепочку технологических переделов: правку, разметку, механическую или газовую резку, сверление или продавливание отверстий, фрезерование и т.д. При изготовлении конструкций отдельные детали проходят по заводу путь длиной до 1000 м и более. Механизация и автоматизация, внедряемые на заводах по изготовлению металлоконструкций, в значительной мере облегчая труд рабочего, практически не изменяют технологический процесс и мало повышают производительность труда. В результате общие затраты времени на изготовление конструкций, особенно пространственных, практически не снижаются.
Следует отметить, что наиболее технологичными в изготовлении являются плоские сплошностенчатые конструкции из листа или полосы. Трудозатраты в этом случае могут быть ниже в 1,5...2 раза.
Традиционная практика проектирования строительных металлоконструкций предполагает использование для несущих конструкций листового металлопроката толщиной 6...8 и более мм. Причинами этого являются:
предубеждение о низкой коррозионной стойкости тонкого стального листа;
длительное наличие жестких запретов на применение стали в конструкциях зданий небольших пролетов и малой высоты;
существование традиционных, методик расчета, предназначенных для проектирования элементов, воспринимающих большие технологические нагрузки;
отсутствие технологического оборудования для передела тонкого Листа в строительные конструкции.
В последние 5-8 лет началось применение в строительстве конструкций из листовой стали толщиной 4...6 мм. Можно назвать балки с гофрированной стенкой «Алма-Ата», опоры воздушных линий электропередачи 6-гранного сечения из листа и 3-гранного из гнутых уголков, конструкции «Плауэн» и «Орск», профилированный лист стенового ограждения и покрытий, складки и некоторые другие. Расход материала в таких конструкциях достигает 30...50 кг/м2. Сталь толщиной 1...3 мм находит пока крайне ограниченное применение.
В результате анализа существующих технических решений сквозных решетчатых конструкций в диссертации предложен ряд конструктивных схем несущих и ограждающих металлоконструкций на основе листового проката толщиной 1 ...3 мм. Основное достоинство таких конструкций - практически полная автоматизация процесса изготовления и возможность создания гибкого автоматизированного производства при минимальном расходе стали.
Актуальность работы заключается в том, что решаемая в ней проблема организации производства новых видов технологичных строительных Конструкций позволяет в сжатые сроки удовлетворять потребности отдельных регионов в зданиях и сооружениях комплектной поставки широкого спектра назначения с учетом местных условий.
Новые виды несущих и ограждающих конструкций, изготовленные из тонкого стального листа на автоматизированных линиях позволяют существенно снизить затраты материала, времени и труда по сравнению с отечественными и зарубежными аналогами.
Целью диссертационной работы является разработка, исследование и внедрение эффективных строительных конструкций из объемно-формованного тонколистового проката.
Поставленная цель достигается на основе:
анализа состояния исследований и использования в строительстве конструкций из тонколистового проката;
изучения напряженно-деформированного состояния тонколистовых конструкций;
разработки методики и проведения экспериментальных исследований;
разработки практических рекомендаций по расчету и конструированию пространственных конструкций;
разработки технологии изготовления объемно-формованных конструкций на гибких автоматизированных поточных линиях;
анализа технических решений зданий и сооружений комплектной поставки из легких металлических конструкций;
разработки имитационной модели гибкого поточного производства;
определения экономической эффективности от внедрения новых конструктивных решений.
Научная новизна работы:
- разработаны высокотехнологичные объемно-формованные конструкции
на основе тонколистового проката;
- выявлены принципы (основные закономерности) формообразования
предлагаемых конструкций;
впервые предложены принципиально новые схемы изготовления строительных конструкций по безотходной технологии на гибких автоматизированных поточных линиях;
разработаны практические рекомендации для расчета пространственных ітержней с гнуто-листовой решеткой;
предложена имитационная модель гибкого поточного производства объ-;мно-формованных тонколистовых конструкций;
проведены обширные экспериментальные исследования работы объемно-формованных конструкций, в том числе натурные испытания;
разработаны технические решения зданий и сооружений из конструкций іа основе тонколистового проката.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
новые высокотехнологичные объемно-формованные конструкции на ос-ове тонколистового проката;
принципы формообразования и изготовления строительных конструкций а гибких автоматизированных поточных линиях по безотходной технологии;
практические рекомендации по расчету и конструированию пространст-гнных стержней с гнуто-листовой решеткой;
методика проведения и результаты экспериментальных исследований ра-эты объемно-формованных конструкций;
результаты имитационного моделирования гибкого поточного производ-гва объемно-формованных тонколистовых конструкций.
Достоверность результатов и обоснованность выводов определяются:
использованием общепринятых расчетных предпосылок, в частности, теории деформационного расчета упругих стержней, моделей упруго-пластического материала и др.;
хорошим соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным при испытаниях моделей и конструкций;
комплексным характером работы, в которой рассматриваются все этапы, связанные с разработкой новых конструктивных решений, их теоретическими и экспериментальными исследованиями, изготовлением, монтажом и эксплуатацией.
Практическое значение работы состоит в том, что полученные результаты являются научной основой разработки широкого класса высокотехнологичных объемно-формованных конструкций из тонколистового металлопроката, применяемых в малонагруженных зданиях и сооружениях пролетом до 24...27 м.
Реализация работы. Результаты проведенных исследований использовались при разработке и внедрении новых видов металлоконструкций и технологии их изготовления при проектировании и строительстве зданий комплектной поставки в Липецкой области, при разработке «Рекомендаций по проектированию продольно сжатых сквозных конструкций» для проектных организаций ВО «Союзметаллостройниипроект», при решении отраслевой научно-технической проблемы 055.01.121. «Разработать и внедрить прогрессивные способы реконструкции зданий и сооружений...», при проведении научно-исследовательской работы со студентами, в учебном процессе и в дипломном проектировании.
Апробация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований докладывались и обсуждались на:
III Республиканской конференции по металлическим конструкциям (Житомир, 1984 г.);
Всесоюзной конференции по статике и динамике пространственных конструкций (Москва, 1985 г.);
Всесоюзном семинаре «Индустрия. Технические решения для реконструкции зданий и сооружений промышленных предприятий» (Донецк, 1986 г.);
Научной конференции «Развитие, совершенствование и реконструкция специальных сварных строительных конструкций зданий и сооружений» (Киев, 1988 г.);
V Республиканской конференции по металлическим конструкциям (Киев, 1992 г.)
Международной конференции «Металпс>сіроиіельство-9б>> (Донецк, 1996 г.);
Международной конференции «Промышленность стройматериалов и стройиндустрия...» (Белгород, 1997 г.);
Научно-практической конференции «Научно-технические достижения в области дорожных строительных материалов, строительства, реконструкции, содержания автомобильных дорог» (Липецк, 1996 г.);
Международной конференции «Проблемы безопасности транспортного пространства» (Липецк, 1998 г.);
Научно-технических конференциях Липецкого государственного технического университета (Липецк, 1980-2000 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертации изложено в 24 печатных работах, опубликованных в научных журналах и сборниках. По материалам диссертации получено 2 авторских свидетельства на изобретения.
Объем и структура работы. Работа состоит из шести разделов, заключения, списка использованной литературы (335 наименований) и трех приложений. Общий объем диссертации 392 страницы, включая 155 иллюстраций и 86 таблиц. В приложение вынесены сортамент тонколистовой оцинкованной стали, производимой ОАО «НЛМК», геометрические характеристики (сортамент) элементов трехгранных стержней с объемно-формованной листовой решеткой, рекомендации по расчету трехгранных стержней.