Принципы формообразования, технологии изготовления и монтажа новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности и их экспериментальное обоснование Денисова, Алла Павловна

Введение к работе

Актуальность темы. Металл был и остается одним из главных материалов строительного производства. Объемы изготовления и монтажа стальных строительных конструкций в России по-прешему остаются весьма значительными и сопоставимыми с аналогичными объемами ведущих зарубежных стран.

Удорожание всех видов природных ресурсов, производимой энергии, стоимости труда наряду с большим объемом применения стали поставило в ряд первостепенных и актуальных задачи экономии металла, снижения массы конструкции, трудоемкости изготовления и монтажа, а также уменьшения транспортных расходов. Решение таких задач должно строиться на основе использования высоких технологий на всех стадиях производства, перевозки, монтажа и эксплуатации металлических конструкций.

Наиболее ярким примером высоких технологий является метод рулонирования. Новая технология дала возможность перенести основной объем сборочно-сварочных работ в стационарные заводские условия, что привело к повышению качества изготовления конструкций, снижению трудоемкости монтажа и сокращению сроков строительства. Возможность представления конструкции в виде полуфабриката - плоской заготовки, свернутой в габаритную конструкцию, привело к значительной экономии транспортных расходов.

Учитывая огромные технико-экономические возможности отечественного метода рулонирования, его мощную индустриальную базу, проводились исследования по расширению высоких технологий этого метода в области металлоконструкций. Существенный вклад в решение этой проблемы внесли прикладные исследования Г. В. Раевского, Б.В. Поповского, В.М.Дидковского, В.М. Балиц-кого, Г. С. Чолояна, А. П. Москалева, А. С. Саратовского, и др.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ. В 70-е годы в отечественном резер-вуаростроении возникла насущная необходимость в строительстве вертикальных стальных резервуаров большой единичной емкости. Разработка резервуаров велась по пути развития "классической конструкции" за счет увеличения геометрических размеров и применения высокопрочной стали марки 16Г2АФ для изготовления стенки.

Применение высокопрочной стали значительно осложнило изготовление, так как потребовало применения особой технологии и специального оборудования для производства сварочных работ, сделало менее безопасным монтаж стенки и формообразование вертикальных и горизонтальных монтажных стыков.

Анализ опыта проектирования, изготовления, монтажа и эксплуатации резервуаров емкостью 100-50000м³ показал, что наиболее экономичными и надежными на любой стадии производства оказались резервуары, для которых были заложены следующие требования: применение метода рулонирования; использование малоуглеродистой ВСтЗсп5 и низколегированной 09Г2С сталей; снижение толщины нижних поясов до 16-17 мм.

В настоящее время эти требования выполнимы для резервуаров емкостью до 30000м³. Поэтому проблема создания и монтажа экономичных и надежных крупных вертикальных цилиндрических резервуаров из рулонных заготовок пока осталась нерешенной.

НЕСУЩЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. В 1962г. Г. В. Раевским был предложен способ изготовления корпусов и труб, который был заложен в основу конструктивных поисков новых рулони-рованных плоских и пространственных металлических конструкций.

В 60-70-е годы Г.В. Раевский проводил конструктивные по-

- 5 -иски по созданию первой рулонированной металлической конструкции - плоскосворачиваемой фермы. Однако использование принципов формообразования пневматических надувных конструкций не привело к положительному результату. При раздутии¹ происходила потеря общей устойчивости плоской заготовки фермы (она скручивалась). О других исследованиях по созданию плоских рулонированных металлических конструкций автору не известно.

В начале 70-х годов В.М. Дидковским было разработано ру-лонированное покрытие малых вертикальных стальных резервуаров (V=100-400m³) в виде гладкой конусной оболочки. Формирование проектной формы покрытия из плоской заготовки, имеющей специальную выкройку, проводилось на монтажной площадке с помощью несложного инвентарного оборудования. Экономичность нового решения во всех сферах производства была настолько очевидна, что немедленно для резервуаров малых объемов провели замену типовых сборных покрытий на рулонированные.

Дальнейшие исследования в этом направлении показали, что с увеличением диаметра оболочки (D > 8м) появляется необходимость ее подкрепления. Использование ребер жесткости из традиционных профилей привели к комбинированной конструкций: сборной стропильной системе (внешней) и рулонированному настилу (проекты института КОКСОХИММОНТМ). Единичное использование таких решений (при строительстве двух резервуаров объёмом 2000 м³ на Саратовском НПЗ) оказалось малоэффективным и не отвечало поставленной цели.

Для создания ребристых рулонированных оболочек необходимы были не только принципиально новая технология, но и новый тонкостенный профиль. Первые поиски в этом направлении были

- 6 -проведены в 60-70-е годы Г.В. Раевским и его учениками.

При строительстве в г. Кременчуге резервуара объемом 10000 м³ с плавающей крышей были впервые использованы кольцевые ребра жесткости корпуса в виде плоскосворачиваемых труб. Однако объемные трубчатые сечения образовались не по всей длине ребер, а дискретно, с явно выраженными переломами и плоскими участками. Дальнейшие поиски конструктивного решения ребер не привели к решению поставленной задачи.

На Саратовском заводе резервуарных металлоконструкций проводились конструктивные эксперименты по созданию рулониро-ванных ребристых блоков конического покрытия резервуаров. Причинами отрицательного решения явились как механический перенос принципов формообразования пневматических надувных конструкций, так и неиспользование физических, и механических свойств стали как конструкционного материала.

Следовательно, проблема создания экономичных и надежных рулонированных плоских и ребристых пространственных конструкций пока осталась нерешенной.

ВЫВОД. Учитывая, что на современном этапе в области металлических конструкций метод рулонирования является наиболее прогрессивным, имеющим мощную индустриальную базу и огромный опыт применения его в отечественном резервуаро-строении, задача расширения границ использования этого метода в области металлоконструкций не утратила своей актуальности и в настоящее время.Решение ее позволит значительно увеличить номенклатуру конкурентоспособных рулонированных - конструкций повышенной транспортабельности и тем самым будет способствовать подъёму металлоиндустрии в России.

Целью настоящей работы является расширение границ использования высоких технологий метода рулонирования в области листовых и несущих металлических конструкций за счет создания крупных резервуаров из рулонных заготовок и новых легких ме-

- 7 -талличєских конструкций повышенной транспортабельности для зданий и сооружений различного назначения с комплексом оснастки для их изготовления, транспортирования и монтажа.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ. Основная задача - найти конструктивные решения корпусов новых крупных вертикальных резервуаров из рулонных заготовок с применением стали 09Г2С.

Для этого необходимо: определить пути снижения давления хранимого продукта на корпус резервуара и разработать принципиальное конструктивное решение оснастки для технологии их монтажа.

НЕСУЩИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. Основная задача -

- разработать новые легкие металлические конструкции повышенной транспортабельности.

Для этого необходимо:

сформулировать принципы формообразования: нового тонкостенного сварногнутого профиля для рулонированных конструкций; плоских рулонированных конструкций типа балок, стоек, ферм, арок и рам; пространственных рулонированных конструкций типа ребристых пластин и оболочек, гладких пологих оболочек и структурных плит из линейных элементов сварногнутого профиля;

разработать принципиальные конструктивные решения оснастки и приспособлений для формообразования и технологии изготовления рулонированных конструкций;

провести апробацию новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности на основе: конструктивного и технологического моделирования; теоретических и экспериментальных исследований формообразования элементов сварногнутого профиля и работы их под нагрузкой;

разработать основы проектирования и провести технико-

- 8 -- экономическую оценку новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности.

На защиту автор выносит новые конструкции крупных резервуаров из рулонных заготовок, новые легкие металлические конструкции повышенной транспортабельности и комплекс оснастки для технологии их изготовления, транспортирования и монтажа.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ. На защиту выносятся:

1. три принципа снижения давления хранимого продукта на корпус резервуара;

2. рекомендации по конструктивному решению корпусов трех новых крупных вертикальных цилиндрических резервуаров объёмом 50000-200000 м³ из рулонных заготовок с применением стали 09Г2С и толщиной нижних поясов 17мм;

3. принципиальное конструктивное решение сборно-разборного стенда в двух модификациях и технология разворачивания рулонов корпуса крупных резервуаров на нем.

НЕСУЩИЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ ШСТРУКЩИ. На защиту выносятся:

4. принципы формообразования: тонкостенного сварногну-того профиля четырех модификаций для рулонированных конструкций; плоских рулонированных конструкций типа балок, стоек, ферм, арок и рам; пространственных рулонированных конструкций типа ребристых пластин и оболочек, гладких пологих оболочек и структурных плит;

5. рекомендации и принципиальные решения оснастки, приспособлений для технологии формообразования и изготовления плоских и пространственных рулонированных конструкций;

6. конструктивное и технологическое моделирование новых легких конструкций повышенной транспортабельности;

7. теоретические и экспериментальные исследования фор-

- 9 ~ мообразования тонкостенного сварногнутого профиля и работы рулонированных строительных элементов сварногнутого профиля на центральное растяжение и сжатие, изгиб;

5) основы проектирования новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности.

Научная новизна работы. На основе проведенных исследований впервые разработаны новые конструкции крупных резервуаров из рулонных заготовок, новые легкие металлические конструкции повышенной транспортабельности и комплекс оснастки для их изготовления, транспортирования и монтажа, что способствует расширению границ использования высоких технологий метода ру-лонирования в области металлоконструкций для зданий и сооружений различного назначения.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИИ. Сформулированы три принципа снижения давления хранимого продукта на корпус резервуара, на основе которых разработаны рекомендации по конструктивному решению корпусов из рулонных заготовок с применением стали 09Г2С и толщиной нижних поясов 17мм: 1) одностенчатых вертикальных стальных резервуаров пониженной высоты (РПВ) объёмом 50000 м³; 2) двухсекционных вертикальных стальных резервуаров (МСР) объемом 100~150тыс.м³; 3) вертикальных стальных резервуаров с преднапряженным корпусом (РПК) объемом 100-200тыс.м³.

Предложены принципиальное конструктивное решение сборно-разборного стенда в двух модификациях и технология разворачивания на нем рулонов корпуса в горизонтальном положении.

НЕСУЩЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. Впервые сформулированы принципы и разработаны рекомендации по формообразованию, конструированию и технологии изготовления: 1) тонкостенного сварногнутого профиля четырех модификаций для металлических

- 10 -рулонированных конструкций; 2) рулонированных строительных элементов сварногнутого профиля; 3) плоских рулонированных конструкций типа балок, стоек, ферм, арок и рам сварногнутого профиля; 4) пространственных рулонированных конструкций типа пластин и оболочек, подкрепленных ребрами сварногнутого профиля, гладких пологих оболочек и структурных плит из линейных элементов сварногнутого профиля.

Предложены принципиальные решения оснастки, приспособлений для технологии формообразования и изготовления плоских и пространственных рулонированных конструкций;

Впервые проведены: 1) конструктивное и технологическое моделирование изготовления и формообразования плоских и пространственных рулонированных конструкций; 2) экспериментально-теоретические исследования формообразования нового тонкостенного сварногнутого профиля и работы новых рулонированных строительных элементов сварногнутого профиля на центральное растяжение и сжатие, изгиб.

Разработаны основы проектирования новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности.

Достоверность результатов проведенных исследований по разработке новых конструкций крупных резервуаров из рулонных заготовок, легких металлических конструкций повышенной транспортабельности и комплекса оснастки для их изготовления транспортирования и монтажа, определена: 1) шестью авторскими свидетельствами на изобретения и одним патентом; 2) использованием метода конструктивного и технологического моделирования, апробированных теорий расчета цилиндрических и пологих оболочек, гибких пластинок, тонкостенных стержней при обосновании нового тонкостенного профиля и рулонированных конструк-

ций; 3) соответствием результатов расчета на основе предложенных математических моделей, расчетных схем и методик экспериментальным данным, полученным в работе; 4) соответствием практическому опыту проектирования и эксплуатации металлических конструкций зданий и сооружений на основе использования в практике проектирования и строительства новых легких конструкций повышенной транспортабельности.

Практическое значение результатов проведенных исследований состоит в расширении границ использования высоких технологий метода рулонирования в области металлоконструкций за счет создания новых конструкций корпусов крупных резервуаров из рулонных заготовок и легких конструкций повышенной транспортабельности, разработки основ их проектирования в полном соответствии с современными нормативными требованиями и экспериментально-теоретического апробирования.

Следовательно, результаты исследований дают возможность значительно увеличить номенклатуру конкурентоспособных на отечественном и мировом рынках рулонированных конструкций для зданий и сооружений различного назначения и тем самым будут способствовать подъему металлоиндустрии в России.

Реализация работы. Результаты проведенных исследований использованы при строительстве, реальном проектировании и разразработке проектных предложений малоэтажных зданий и вертикальных цилиндрических резервуаров, написании монографий, учебного пособия, ведении учебного процесса.

ЛИСТОВЫЕ КОНСТРУКЦИЙ. Реализация результатов исследований проводилась в рамках комплексной научно-технической программы "Нефть и газ Западной Сибири", суперпрограммы "Сибирь" СО АН СССР (номер госуд. регистрации С182.9008548) с 1981 г.

- 12 -по 1987 г. и заключалась в: 1) разработке проектного предложения конструкций крупных резервуаров типов РПВ-50000 м³ и МСР-ЮООООм³ для представления его в институты ВНИИМонтажс-пецстрой и ЦНШПСК; 2) изготовлении действующей модели сборно - разборного стенда для разворачивания рулонов в горизонтальном положении для представления ее в институт ВНИИМонтажс-пецстрой и трест Севкавтехмонтаж; 3) ведении учебного процесса на архитектурно-строительном факультете СГТУ: элективные и специальные курсы "Листовые конструкции", теш научно-практической работы со студентами, курсовое и дипломное проектирование.

НЕСУЩЕ МЕТАЛЛИЧЕСКИЕ КОНСТРУКЦИИ. Реализация новых легких конструкций повышенной транспортабельности проводилась в рамках хоздоговоров с трестом "Тюменнефтегазмонтаж" и межвузовской научно-технической программы "Технопарк".

Реализация плоских рулонированных конструкций заключалась в разработке типовых проектов каркасных строительных модулей типа КОПЭ с использованием рулонированных балок, стоек, арок и рам; выполнении альбома проектных предложений и макетов легковозводимых зданий из строительных модулей типа КОПЭ; получении сертификата на изготовление рулонированных балок и стоек; разработке рекламного проспекта на выполнение заказов по проектированию, изготовлению и монтажу легковозводимых зданий различного назначения; разработке трех проектов на стадии КМ рекламно-информационного,производственно-коммерческого и полифункционального центров по заказу технопарков Саратовского государственного технического университета. Самарского государственного азрокосмического университета и научно-технологического парка "Инновационный центр МГТУ".

Реализация пространственных рулонированных конструкций заключалась в разработке проектов на стадии КМ конструкций рулонированного покрытая в виде ребристой купольной оболочки для типовых вертикальных резервуаров объемом 700-20000м³, строящихся на нефтепромыслах Западной Сибири: монтаже рулони-руемых покрытий при строительстве резурвуаров.обьемом 1000 и 5000 м³ на нефтепромыслах Западной Сибири.

Основные результаты исследований изложены в монографии "Легкие металлические конструкции повышенной транспортабельности".

Основы проектирования, изготовления и монтажа легких металлических конструкций повышенной транспортабельности внедрены в учебный процесс СГТУ: лекции по элективному курсу "Ру-лонированные конструкции", дипломное проектирование, лабораторная работа по дисциплине "Испытание сооружений", учебное пособие "Основы проектирования рулонированных балок и стоек".

Апробация работы. Основные результаты исследований и материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях. Всего зарегистрировано 43 доклада, опубликовано 12 тезисов в 9 сборниках трудов.

Работа выполнена на кафедре "Строительные конструкции и основания сооружений" Саратовского государственного технического университета. Внедрение новых легких металлических конструкций повышенной транспортабельности в практику строительства проводилось на нефтепромыслах Западной Сибири.

Материалы, представленные в диссертации, разрабатывались в основном самостоятельно с привлечением по госбюджетной тематике аспирантов Низимовой О.В. (1985~1989г.), ШеинаА.А., Смолькова А.П. (1996,1997г.), Муртазина М.М. (1997г.) и соис-

- 14 -кателей Корабельникова Н.Н., Колосниченко М.П. (1996-1997Г.).

Автор выражает благодарность д.т.н., профессору Игнатьеву В. А. (ВолгГАСА), д.т.н.. профессору Овчинникову И.Г. (СГТУ) за консультации, к.т.н., доценту Огороднову Б.Е. (ин-т "Сиб-НИПИгазстрой, г.Тюмень), ст. преподавателю Бернику В. 0.(Тюм-ИСИ) за участие в отдельных исследованиях, сотрудникам кафедры СКО СГТУ за помощь в проведении отдельных экспериментов.

Публикации. Материалы работы опубликованы в 40 статьях, монографии, тезисах по докладам, отчетах научно-исследовательских тем, учебных пособиях. Получено 6 авторских свидетельств и 1 патент.

Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы, включающего 109 наименований, приложения.

Работа изложена на 500 страницах, содержит 68 рисунков, 36 таблиц, 156 фотоснимков.