Содержание к диссертации
Введение
1. Основы расчета и проектирования тонкостенных стержней открытого профиля 12
1.1. Теоретические и экспериментальные исследования 12
1.2. Расчет и проектирование 22
1.3. Мембранные конструкции с опорным контуром из тонкостенных стержней открытого профиля 30
2. Разработка методики численного расчета тонкостенных стержневых конструкций 35
2.1. Основные положения расчета 35
2.2. Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля с двумя осями симметрии при отсутствии эксцентриситетов в узлах 41
2.3. Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля при несовпадении центров тяжести и изгиба... 47
2.4. Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля при наличии в узлах эксцентриситетов 55
2.5. Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля при наличии в узлах эксцентриситетов и несовпадении центров тяжести и изгиба сечения 91
2.6. Преобразование локальной матрицы жесткости тонкостенного элемента при переходе к общей системе координат 127
2.7. Определение усилий в тонкостенном стержне открытого профиля 146
2.8. Вычислительный комплекс «стк» для расчета пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля 150
3. Численные исследования конструкции из тонкостенных стержней открытого профиля 157
3.1. Оценка точности расчетов с использованием конечных элементов тонкостенных стержней открытого профиля 157
3.2. Исследование работы узлов пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля 183
3.2.1. Общая характеристика узлов пространственных конструкций 183
3.2.2. Узлы колонн 189
3.2.3. Узлы сопряжения балок с колоннами 199
3.2.4. Узлы сопряжения балок... 223
4. Исследование работы мембранных конструкций с тонкостенным опорным контуром открытого профиля 237
4.1. Влияние эксцентричного крепления мембраны к прямолинейному опорному контуру на перераспределение усилий в конструкции 237
4.2. Экспериментальные исследования модели мембранного покрытия при эксцентричном креплении мембраны к тонкостенному опорному контуру открытого профиля 246
4.3. Мембранные конструкции с ломаным опорным контуром 274
5. Исследование жесткости и несущей способности конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля 287
5.1. Задачи исследования 287
5.2. Предельные перемещения элементов конструкций...288
5.3. Несущая способность изгибаемых тонкостенных стержней открытого профиля при действии
крутящих нагрузок 293
5.4. Несущая способность сжатых тонкостенных стержней открытого профиля при действии крутящих нагрузок 322
6. Рекомендации по расчету и проектированию конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля 328
7. Основные выводы 331
Литература 335
- Мембранные конструкции с опорным контуром из тонкостенных стержней открытого профиля
- Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля с двумя осями симметрии при отсутствии эксцентриситетов в узлах
- Исследование работы узлов пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля
- Экспериментальные исследования модели мембранного покрытия при эксцентричном креплении мембраны к тонкостенному опорному контуру открытого профиля
Введение к работе
При проектировании конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля, как правило, используют решения, исключающие кручение отдельных элементов. Однако для ряда систем полностью предотвратить кручение невозможно. Примером таких конструкций служат подкрановые балки, закручиваемые при эксцентричном приложении вертикального давления кранов и действии горизонтальных тормозных усилий; балки скатных покрытий; балки пола транспортерных галерей; пространственные рамы; мембранные системы с эксцентричным креплением мембраны к опорному контуру и т.п. Кручение тонкостенных стержней открытого профиля может иметь место из-за неточностей изготовления и монтажа, повреждения связей, изменения расчетных схем вследствие ремонта и реконструкции. При кручении тонкостенных стержней открытого профиля, из-за стеснения депланации сечения, появляются дополнительные секториальные напряжения, вносящие существенный вклад в суммарные напряжения, уменьшая или увеличивая их. Фактическая жесткость на кручение тонкостенного стержня открытого профиля, значительно выше, чем жесткость при чистом кручении. При учете только чистого кручения для обеспечения требуемой жесткости конструкции приходится необоснованно увеличивать сечения элементов. Неправильный учет жесткостных параметров стержней ведет к неверному определению усилий и перемещений, что снижает надежность системы.
При невозможности исключить кручение конструктивных элементов расчет стержневых систем в настоящее время, как правило, выполняют только с учетом продольных, изгибных деформаций и чистого кручения. Определенные при расчете усилия и деформации для тонкостенных стержней открытого профиля существенно отличаются от фактических. Следствием неточного расчета являются или излишние запасы несущей способности, или перенапряжение конструкции. Исключение кручения или расчет тонкостенных
стержней открытого профиля только с учетом чистого кручения обусловлены двумя причинами:
- отсутствием нормативных данных, позволяющих учесть влияние стесненного кручения на несущую способность конструкции из-за недостаточной изученности вопроса;
- невозможностью определения усилий в пространственных стержневых конструкциях с учетом стесненного кручения современными вычислительными комплексами, т.к. включенные в их состав стержневые тонкостенные конечные элементы применимы только для расчета отдельных стержней.
Для расчета конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля можно использовать аппроксимацию тонкостенных стержней тремя продольными элементами со специально назначенными жесткостями, объединенными жесткими поперечниками. Однако применение метода стержневой аппроксимации, ведет к существенному усложнению расчетных схем, что затрудняет его использование для практических расчетов. При наличии в узлах эксцентриситетов (крепление прогонов к несущим конструкциям нижней полкой, соединение в узле нескольких двутавров и швеллеров и т.п.) использование стержневой аппроксимации не позволяет точно определить напряженно-деформированное состояние конструкции.
Расчет конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля может выполняться с использованием конечных Элементов оболочки. Это требует тщательного выбора сетки разбиения конструкции. При этом число узлов и элементов возрастает по сравнению со стержневой аппроксимацией на несколько порядков.
Наиболее рационально для расчета сложных пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля использовать стержневые тонкостенные конечные элементы, учитывающих не только чистое, но и стесненное кручение при совпадении и несовпадении центров тяжести и
изгиба, наличии или отсутствии эксцентриситетов в узлах, что делает актуальным разработку таких конечных элементов.
Существенное влияние на работу конструкции из тонкостенных стержней открытого профиля оказывают узловые соединения. Учет влияния конструкции узлов на напряженно-деформированное состояние стержневой системы является важной практической задачей.
Практический интерес представляет исследование несущей способности изгибаемых и сжатых стержней при действии дополнительных секториальных напряжений, вызванных кручением тонкостенного стержня открытого профиля и разработка рекомендаций по проектированию конструкций, испытывающих в процессе эксплуатации крутящие нагрузки.
Целью диссертационной работы является разработка методики расчета и рекомендаций по проектированию строительных конструкций из
тонкостенных стержней открытого профиля, испытывающих кроме продольных и изгибных деформаций, деформации кручения. Рассматриваются вопросы численного расчета тонкостенных стержней открытого профиля с использованием конечных элементов оболочки, разрабатываются матрицы жесткости тонкостенных конечных элементов для стержней открытого профиля при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба, при отсутствии и наличии эксцентриситетов в узлах. Исследуется влияние различных узловых сопряжений в пространственных системах на работу конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля. Изучается напряженно-деформированное состояние мембранных конструкций с эксцентричным креплением мембраны к тонкостенному опорному контуру открытого профиля. Рассматривается влияние кручения на прочность, устойчивость и жесткость изгибаемых, сжатых и внецентренно-сжатых элементов. Изучается влияние на работу тонкостенных стержней открытого профиля граничных условий и нагрузок, характерных для подкрановых балок, балок покрытий и рабочих площадок и рассматриваются проектные решения таких конструкций.
Предлагается инженерная методика проектирования конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля и рекомендации по определению предельно допустимых углов закручивания. Для достижения цели исследования решаются следующие задачи:
1. Разработка конечных элементов тонкостенных стержней открытого профиля при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба сечения, при отсутствии и наличии в узлах эксцентриситетов.
2. Разработка методики численного расчета стержневых конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля при действии нагрузок, вызывающих кручение с учетом геометрической и физической нелинейности с применением конечных элементов оболочки.
3. Исследование пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля с разными типами узловых сопряжений.
4. Исследование напряженно-деформированного состояния прямоугольных мембранных конструкций при кручении тонкостенного опорного контура открытого профиля, выявление параметров мембранной системы, определяющих ее работу при плоском и ломаном контуре.
5. Исследование влияния кручения на несущую способность изгибаемых и сжатых тонкостенных стержней открытого профиля.
6. Разработка рекомендаций по расчету и проектированию конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля.
7. Исследование несущей способности тонкостенных подкрановых балок, балок покрытий и рабочих площадок при различных граничных условиях, действии крутящих нагрузок и разработка проектных решений строительных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля с учетом кручения.
Научную новизну и практическую ценность работы составляют:
- тонкостенные конечные элементы для численного расчета пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля при совпадении и несовпадении центров тяжести и изгиба и наличии эксцентриситетов в узлах;
- коэффициенты преобразования депланации для разных типов узловых сопряжений стержней и матрицы преобразования координат для построения общей матрицы жесткости конструкции;
- вычислительный комплекс статического расчета пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля с использованием тонкостенных конечных элементов;
- методика расчета конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля с использованием конечных элементов оболочек;
- результаты исследования пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля с разными типами узловых сопряжений с применением оболочечных и тонкостенных конечных элементов;
- результаты исследований напряженно-деформированного состояния прямоугольных мембранных конструкций с эксцентричным креплением мембраны к тонкостенному опорному контуру открытого профиля, параметры мембранной системы с плоским и ломаным контуром, определяющие работу конструкции при кручении тонкостенного опорного контура открытого профиля;
- результаты исследований и проектные решения конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля при действии крутящих нагрузок: подкрановых балок, балок покрытий и рабочих площадок, пространственных стержневых конструкций;
- методика определения предельно допустимых углов закручивания для разных типов конструкций;
- рекомендации по расчету и проектированию конструкций из тонкостенных стержней открытого профилям.
Практическое значение. Результаты исследований использованы при разработке ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко совместно с «ПромстройНИИпроект» г.Магадан проекта мембранного покрытия двухпролетного здания центрального теплового пункта с эксцентричным креплением мембраны к тонкостенному опорному контуру; при проведении расчета стальных балок ломаного очертания чердачного перекрытия реконструируемой столовой на базе отдыха Белое озеро Брестской области; при разработке конструкций открытой крановой эстакады паровозного цеха локомотивного депо Брест-Восточный с целью увеличения грузоподъемности крана до 50 кН; при проектировании открытой крановой эстакады для мостового крана грузоподъемностью 10 кН локомотивного депо Брест-Восточный; при разработке проекта усиления конструкций галереи №9 Третьего Соликамского калийного производственного рудоуправления в г.Соликамск Пермской области; при проведении расчета подкрановых балок цеха «Зона Болгария» завода АВТОФРАМОС в г.Москва; при расчете стальных конструкций достраиваемой части производственного корпуса филиала «Стройконструкция-5» ЗАО МСМ-5 в г.Москва; при разработке вычислительных комплексов расчета пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля СТК, расчета стальных балочных клеток с учетом стесненного кручения РБК, расчета стальных конструкций STALKON, используемых в АО «Пермский Промстройпроект», ЦНИИСК им.В.А.Кучеренко, Брестском государственном техническом университете и других проектных и научно-исследовательских организациях.
Апробация работы. Основные положения работы доложены на XIX научно-технической конференции Брестского политехнического института, г.Брест, 1995 г.; на 51- научно-технической конференции преподавателей, научных работников и студентов Белорусской государственной
политехнической академии, посвященной 75-летию БГПА, г.Минск, 1995 г.; на научно-технической конференции, посвященной 30-летию Брестского политехнического института, г.Брест, 1996 г.; на XXV научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава, аспирантов и студентов Брестского политехнического института, г.Брест, 1998 г.; на международной научно-технической конференции «Строительные конструкции XXI века», Московский государственный строительный университет, 2000 г.; на международной научно-технической конференции-выставке «Строительство в XXI веке. Проблемы и перспективы», посвященная 80-летию МГСУ-МИСИ, 2001 г; на научной сессии и научно-практическом семинаре «Компьютерное моделирование и проектирование пространственных конструкций», г.Москва, 2001 г; на 51 научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов, Московский государственный строительный университет, 2002
г.
Мембранные конструкции с опорным контуром из тонкостенных стержней открытого профиля
Разновидностью пространственных тонкостенных конструкций являются мембранные системы, состоящие из тонкого металлического листа (мембраны), работающего в основном на растяжение, закрепленного на опорном контуре, который может быть стальным, железобетонным, трубобетонным. Идея применения растянутых поверхностей для перекрытия зданий и сооружений принадлежит Шухову В.Г., который при строительстве выставочного павильона на Нижегородской выставке в 1896 г. использовал металлический лист в качестве несущего элемента конструкции покрытия [84]. В дальнейшем мембранные покрытия были применены при строительстве ряда зданий в СССР и за рубежом [10, 15, 57, 106, 144, 198, 199]. Среди них следует выделить спортивно-зрелищные сооружения, возведенные в СССР к Олимпиаде-80, которые показали эффективность мембранных систем. В зрелищных сооружениях чаще всего применяют покрытия на круглом или овальном планах. Для зданий другого назначения более рациональна прямоугольная форма плана. Мембранные покрытия на прямоугольном плане, рассмотрены Браславским Б.М. [16], Кикиным А.И., Дембовским Н.Р. и Назаровым Н.С. [68], Людковским И.Г., Ивановым М.А., Пасютой А.В., Филякиным А.А., Москалевым Н.С. и Мангуевым Б.И. [87-91], Прицкером А.Я. [114], Ружанским И.Л. [130], Трофимовым В.И., Еремеевым П.Г., Арончиком А.Б., Давыдовым Е.Ю. [141-144], Фельдманом Е.Ш. [150].
Характерной особенностью мембранных конструкций является их геометрическая нелинейность. При расчете необходимо учитывать податливость контура и перераспределение усилий в мембране, вызванное перемещениями кромки мембраны.
В большинстве построенных большепролетных мембранных покрытий используется опорный контур железобетонный, трубобетонный или коробчатый стальной. Это обусловлено необходимостью восприятия значительных усилий, передаваемых на контур с мембраны. Мембрана крепится к контуру с использованием специальных опорных столиков, а цепные усилия передаются в центр тяжести сечения. Для покрытий малых и средних пролетов можно успешно применять стальные опорные контуры из тонкостенных стержней открытого профиля- двутавра или швеллера. В мембранных покрытиях на прямоугольном плане профиль рационально располагать стенкой в вертикальной плоскости. Наиболее просто крепление мембраны к тонкостенному стальному контуру открытого профиля выполнять без использования дополнительных элементов, непосредственно к верхней или нижней полке. Особенностью такого конструктивного решения является приложение цепных усилий с мембраны на опорный контур с эксцентриситетом относительно центра тяжести и изгиба. Следствием этого является закручивание контура, вызывающее перемещение кромки мембраны и дополнительное перераспределение усилий в конструкции.
Влияние податливости опорного контура (зависящей от его продольной и изгибной жесткости) на работу конструкции рассмотрено в ряде работ Бубновым И.Г. [19], Вольмиром А.С. [30], Гольденбергом Л.И. [38], Еремеевым П.Г. [58, 59, 60], Присяжным В.Б. [113], Колтуновым М.А. [70], Корнишиным М.С. [71-74], Ростовцевым Г.Г. [128, 129], Hart V.G. [171], Kaizer R. [176], Levy S. [179]. Практический интерес представляют мембранные конструкции, у которых оболочка крепится к контуру с эксцентриситетом относительно продольной оси, из-за чего от распорных усилий в мембране, контур испытывает кручение. Влияние чистого кручения контура на работу мембранных систем рассмотрено Еремеевым П.Г. и Тусниным А.Р. [61]. Выявлены параметры, определяющие работу мембранной конструкции на прямоугольном плане при эксцентричном креплении мембраны к контуру.
Показано значительное изменение усилий и перемещений в зависимости от относительной жесткости контура при чистом кручении. Экспериментально-теоретические исследования мембранных панелей с учетом секториальной жесткости тонкостенного контура открытого профиля выполнены Деменевым М.Г. [49]. Автором предложена методика расчета с аппроксимацией тонкостенных стержней тремя продольными элементами со специально назначенными жесткостями, объединенными жесткими поперечниками.
Расчет мембранных конструкций обычно выполняется на основе нелинейной теории безмоментных упругих оболочек [26, 30, 31, 37]. Для определения напряженно-деформированного состояния мембранных оболочек применяют приближенные методы- аналитические (Бубнова-Галеркина, Ритца и др.) и численные (методы конечных разностей, стержневой аппроксимации и конечных элементов). Численные методы- более точные и универсальные, рассчитанные на использование вычислительной техники, применяются наиболее широко.
Метод конечных разностей (МКР) использовался для расчета мембранных конструкций на первом этапе численных исследований. В работах Лившица Я.Д и Григорьева В.Л. [80-83] МКР успешно применен для расчета на ЭВМ гибких пластин в геометрически нелинейной постановке. Полученные Григорьевым А.С. и Шадриным В.А. [45] с использованием МКР решения для плоской мембраны с недеформируемым контуром при действии равномерно распределенной нагрузки рассматриваются как эталонные. С использованием МКР Джапаридзе Г.М. и Мухадзе Л.Г. [53] исследована зависимость напряженно-деформированного состояния мембраны от граничных условий. Установлено, что податливость контура существенно влияет на работу конструкции. Тоцкий О.Н. [140] применил МКР для исследования мембранных конструкций авиационных сооружений на прямоугольном плане.
Конечный элемент тонкостенного стержня открытого профиля с двумя осями симметрии при отсутствии эксцентриситетов в узлах
Для получения компонентов матрицы жесткости тонкостенного стержня открытого профиля, обусловленных кручением и депланацией, рассмотрим стержень с концами, закрепленными от закручивания и депланации (рис.2.3).
Матрица жесткости включает в себя реакции в связях при их возможных единичных перемещениях, в качестве которых, в данном случае, рассматриваются угол поворота относительно продольной оси и депланация сечения стержня. Угол поворота связи считается положительным, если при взгляде с конца оси Х\ поворот происходит против часовой стрелки.
Положительной считается депланация, при которой ближайшая к наблюдателю полка поворачивается по часовой стрелке. Положительный крутящий момент в связи направлен так же, как и положительный угол поворота. Положительный бимомент в связях действует так, чтобы при взгляде вдоль плеча бимомента ближайший к наблюдателю момент действовал по часовой стрелке.
С учетом ранее установленных закономерностей [22] матрица жесткости на кручение и депланацию тонкостенного элемента с двумя осями симметрии в местной системе координат имеет вид:
Комбинация матрицы жесткости от кручения и депланации с известной матрицей жесткости от линейных перемещений и углов поворота относительно осей 7j, Zx, позволяет получить матрицу жесткости тонкостенного конечного элемента (ТКЭ), которая имеет размерность 14x14. Компонентами матрицы жесткости являются реакции в связях, возникающие при единичных перемещениях связей. Положительными считаются реакции, направление которых совпадает с положительным направлением соответствующего перемещения. В таблице 2.1 показана структура матрицы жесткости ТКЭ. В незаполненных ячейках таблицы 2.1 располагаются нули. Матрица жесткости симметрична относительно главной диагонали, поэтому в таблице 2.1 представлены только элементы расположенные справа и вверху матрицы жесткости.
В практике строительства широко распространены тонкостенные стержни открытого профиля в виде швеллеров, несимметричных двутавров и т.п. Особенностью таких сечений является несовпадение центров тяжести и изгиба, из-за чего при их загружении поперечными нагрузками, приложенными в центре тяжести, возникают крутящие моменты относительно центра изгиба, а при действии продольных сил, приложенных в центре изгиба, изгибающие моменты относительно осей, проходящих через центр тяжести. Учет дополнительных деформаций стержня, вызванных несовпадением центров тяжести и изгиба, представляет собой важную практическую задачу.
Дифференциальное уравнение, описывающее кручение стержня в этом случае, имеет тот же вид, что и при совпадении центров изгиба и тяжести (2.1). Для построения матрицы жесткости в местной системе координат рассмотрим произвольный несимметричный профиль (рис. 2.4). Оси Xj, Jj, Zx проходят через центр изгиба сечения, который принят за центр узла стержня. Оси Х[, Y{, Z{ проходят через центр тяжести сечения. Оси Хх и Х[, параллельные продольной оси элемента, направлены так, чтобы рассматриваемые системы координат бьши правыми. В качестве местных перемещений концов элемента приняты перемещения относительно осей координат, проходящих через центр изгиба. Координаты центра тяжести сечения относительно центра изгиба обозначены у и z.
Из-за несовпадения центров тяжести и изгиба не все перемещения этих точек совпадают. Обозначим возможные перемещения центра изгиба элемента: щ- линейное перемещение вдоль оси Хх; vx - линейное перемещение вдоль оси Yx; M J - линейное перемещение вдоль оси Zx; щ - угол поворота относительно оси Хх; Д- угол поворота относительно оси Yx; ух- угол поворота относительно оси Zx; Sx- депланация в центре изгиба сечения.
Возможные перемещения центра тяжести сечения обозначим: щ линейное перемещение вдоль оси Хх ; v - линейное перемещение вдоль оси Yx ; Wy- линейное перемещение вдоль оси Zx ; ay- угол поворота относительно оси Хх ; Д - угол поворота относительно оси Yx ; ух,- угол поворота относительно оси Zx ; 5у - депланация в центре тяжести сечения.
Рассмотрим связь перемещений центра тяжести и центра изгиба. Центр изгиба принят за центр узла, через его перемещения можно выразить перемещения центра тяжести. Все линейные и угловые перемещения, а также депланация центров тяжести и изгиба совпадают. Линейные перемещения центра тяжести по оси Хх отличаются от перемещений центра изгиба по оси Хх. От депланации сечения в центре изгиба (в соответствии с законом секториальных площадей) дополнительных перемещений центра тяжести по оси Хх не возникает. От углов поворота в центре изгиба Д и ух (в соответствии с законом плоских сечений) возникают дополнительные перемещения центра тяжести по оси Хх . На рис. 2.5 показаны дополнительные перемещения центра тяжести по оси Хх . при повороте сечения относительно осей Yx и Zx (оси Yx и Zx направлены к наблюдателю). Дополнительные перемещения центра тяжести равны произведению углов поворота на соответствующие координаты центра тяжести сечения относительно центра изгиба.
Исследование работы узлов пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля
В главе 2 показано, что конструктивное решение узла сопряжения тонкостенных стержней открытого профиля оказывает существенное влияние на депланацию примыкающих стержней. Исследование наиболее часто применяемых на практике узлов представляет собой важную задачу, решение которой необходимо для расчета пространственных стержневых систем с использованием тонкостенных конечных элементов (ТКЭ).
Наиболее часто встречающиеся на практике узлы пространственных конструкций из тонкостенных стержней открытого профиля подробно рассмотрены в [93, 151]. На рис.3.13-3.15 представлены узлы пространственных стержневых конструкций по данным [93, 151] и отличаются от указанных источников только другой нумерацией.
Узлы номер 1-4 используются для крепления колонн к фундаменту. Узлы 1 и 2 обеспечивают шарнирное закрепление колонн относительно одной из осей, узел 1, кроме того, обеспечивает свободу депланации. Узлы 3 и 4 могут обеспечить жесткое закрепление колонны, для этого подбирается толщина фундаментной плиты, расставляются ребра и траверсы, используются анкерные болты соответствующего диаметра. Узлы 5 -7 применяются при стыковке отправочных элементов колонн при одинаковой высоте сечения. Стыки колонн могут выполняться на сварке или болтах. В последнем случае при разной толщине полок используются монтажные прокладки. Особенностью рассмотренных узлов колонн является то, что в этих узлах не происходит изменения знака депланации.
Узлы 8, 9, 12, 25-29, 31-33 используются для жесткого крепления балок к колоннам. У элемента непрерывного в узле предусмотрена установка поперечных ребер, продолжающих полки примыкающих элементов. В узле могут быть непрерывны или колонна в этом случае балки примыкают к колонне сбоку, или балки (колонны примыкают снизу и сверху). Угол примыкания балок к колоннам может быть как прямым, так и отличным от прямого (узлы 32, 33). По характеру работы указанные узлы относятся к узлу 2 типа (см.раздел 2.6). Для исключения искажения контура сечения в узле 31 необходимо поперечные ребра на балке довести до верхней полки.
Узлы 10 и 11 несмотря на использование сварки для крепления стенок и полок балок к колонне и накладок, охватывающих колонну, не обеспечивают совместность депланации сечений балок и колонны, контур сечения колонны при отсутствии поперечных ребер жесткости изгибается, поэтому такие узлы не могут быть рассчитаны с использованием теории Власова В.З. и не рассматриваются в данной работе.
Узел 13 используется для соединения балок в коньке покрытия. Для исключения изгиба контура сечения в месте стыка устанавливается поперечное ребро. Узел 30 используется в карнизных узлах рам, в нем также присутствует поперечное ребро в месте стыка. Подобные узлы относятся к узлу 1 типа (раздел 2.6).
Узлы 14-24 применяются в местах сопряжения второстепенных балок с главными. Линейные перемещения стыкуемых балок одинаковы. В узлах 14-17, 22 углы поворота и депланации соединяемых балок не совпадают, т.е. по углам поворота и депланации эти узлы шарнирные. В узлах 18-20 углы поворота и депланация для второстепенной балки не совпадают с углами поворота и депланацией главной балки, второстепенная и главная балки в узле неразрезные. В связи с этим в узлах 14-20 депланация второстепенных балок не влияет на депланацию главной балки. В узлах 21, 24 обеспечиваются одинаковые перемещения по всем направлениям для стыкуемых элементов, эти узлы относятся к узлу 4 типа (раздел 2.6). Узлы 14-17, 22, 23 шарнирные по депланации для второстепенных балок.
Узлы 34-36 используются для соединения элементов связей друг с другом и с колоннами. В узлах обеспечивается совместное перемещение стыкуемых элементов по всем направлениям, одинаковой является и депланация. Эти узлы относятся к узлу 4 типа.
В узлах с шарнирным примыканием элементов бимомент с одного из соединяемых элементов не передается на другие, входящие в узел, поэтому при шарнирном соединении для всех элементов коэффициент преобразования депланации равен 1. В узлах с жестким примыканием элементов для предотвращения изгиба контура сечения предусмотрено примыкание полок одного элемента или к полкам или к поперечным ребрам другого элемента. Только такая конструкция жестких узлов позволяет обеспечить четкую передачу, как моментов, так и бимоментов. Узлы с упругоподатливыми соединениями или допускающие изгиб контура сечения в данной работе не рассматриваются.
Экспериментальные исследования модели мембранного покрытия при эксцентричном креплении мембраны к тонкостенному опорному контуру открытого профиля
Целью экспериментальных исследований было выявление действительного напряженно-деформированного состояния нескольких типов мембранных покрытий на прямоугольном плане. Эксперимент включал испытания следующих конструктивных схем мембранных покрытий: - покрытие отдельно стоящего здания, опертое по периметру на колонны (модель 1 типа); - покрытие однопролетного здания, опертое по двум противоположным сторонам на колонны и подкрепленное в вертикально плоскости по двум другим сторонам фермами (модель II типа); - покрытие однопролетного здания с укрупненной сеткой колонн, опертое по углам при центральном (модель III типа) и эксцентричном ниже продольной оси (модель IV типа) креплении мембраны к контуру.
Для решения задач эксперимента модель мембранного покрытия запроектирована с возможностью исключения из работы ряда колонн и установки в свободных пролетах подкрепляющих ферм. Предусмотрена возможность крепления мембраны к контуру центрально или с эксцентриситетом.
Испытания проводились на установке, включающей постамент, на который устанавливалась модель покрытия, подмости и перекидной мостик (рис.4.5). Модель покрытия размерами в плане 3000x3000 мм состояла из провисающей мембраны, прикрепленной к плоской квадратной контурной раме.
Мембрана собиралась из трех листов размерами 1020x3020 мм толщиной 0,5 мм из алюминиевого сплава АМг2ап, которые за счет трения на болтах Мб соединялись друг с другом и опорным контуром. Для более четкой передачи усилий с мембраны на контур использовались алюминиевые накладки. Соприкасающиеся поверхности соединяемых деталей обрабатывались наждачной бумагой и обезжиривались. Шаг болтов- 16 мм. На рис.4.6 показаны болтовые узлы соединения мембраны.
Опорный контур модели выполнялся из алюминиевого сплава АД31Е1 в виде замкнутой плоской квадратной рамы из четырех прямолинейных элементов, имеющих составное сечение, образованное двумя уголками 50x50x5 и пластины 60x4 мм. Уголки и пластина соединены друг с другом на сварке. В пластине и нижнем уголке имелись отверстия диаметром 8 м для крепления мембраны. С внешней стороны к опорному контуру с шагом 100 мм приваривались поперечные ребра жесткости толщиной 4 мм. В углах контура устанавливались распорки, имеющие сечение аналогичное контуру, образуя жесткие треугольники с катетом 300 мм (рис.4.7).
В зависимости от исследуемой конструктивной схемы контур опирался на 24, 14 или 4 колонны, которые выполнялись в виде круглого стального стержня диаметром 14 мм, приваренного к опорной плите размерами 80x30 мм. Общая длина колонны 443 мм. К контуру и постаменту колонна крепилась болтами Мб. На рис.4.8 показан общий вид и узлы крепления колонны к контуру и постаменту.
Подкрепляющие контур вертикальные фермы (рис.4.9) имели высоту 197 мм и изготавливались из алюминиевого сплава АМгЗН2. Нижний пояс выполнялся в виде полосы сечением 4x31 мм, опорные раскосы- из двух полос сечением 4x20 мм, решетка- из труб диаметром 16 мм. К опорному контуру фермы крепились на болтах Мб.
Относительные деформации элементов модели замерялись 348 тензодатчиками сопротивления с базой 20 мм, из них 198 датчиков размещались на мембране, 88 на контуре, 40 на колоннах и 28 на фермах. На мембрану тензодатчики наклеивались прямоугольными розетками (по три штуки) в основном снизу. На опорный контур тензодатчики наклеивались в 22 сечениях по 4 штуки в каждом. Схемы размещения тензодатчиков на мембране и контуре показаны на рис.4.10. Кроме активных в систему были включены 48 контрольных датчиков.
Прогибы мембраны измерялись 35 электромеханическими прогибомерами типа ЭМП-100, вертикальные перемещения контура- 18 прогибомерами Мокина, его горизонтальные перемещения- 36 индикаторами часового типа. Углы закручивания сечения контура фиксировались 15 клинометрами Стоппани. Схема расстановки измерительных приборов показана на рис.4.11. В качестве регистрирующей аппаратуры использовались тензометрический комплекс ТК-2 с печатающим устройством и многоканальная цифровая система ЦИСП-50 для снятия отсчетов с электромеханических прогибомеров рис.4.12.
Вертикальная равномерно распределенная нагрузка на модель суммарной интенсивностью 2 кПа создавалась песком и чугунными грузами. Полная нагрузка прикладывалась в 6 этапов, на каждом этапе отсчеты с тензодатчиков снимались 3 раза. Для удобства размещения нагрузки и контроля ее величины на мембрану укладывалась система из фанерных планок, соединенных шарнирами и образующих 9 ячеек размерами 1000x1000 мм. Песок постоянно находился на модели и совместно с весом алюминиевой оболочки создавал нагрузку 0,18 кПа, соответствующую собственному весу мембраны натурной конструкции (рис.4.13). Слой песка способствовал более равномерному распределению на мембрану нагрузки от чугунных грузов, устанавливаемых на модель в зависимости от исследуемой конструктивной схемы (рис.4.14).
Для загружения модели горизонтальными силами, имитирующими нагрузки от мостовых кранов и ветра, к постаменту напротив каждой колонны крепились устройства (рис.4.6, 4.7), передающие нагрузку на опорный контур в горизонтальном направлении от грузов, подвешенных на тросик. Вертикальные сосредоточенные нагрузки от подвесных кранов через распределительные шайбы диаметром 50 мм прикладывались к мембране с использованием чугунных грузов, подвешенных на стальных тросиках (рис.4.15).
Величины нагрузок и схемы их приложения представлены в табл.4.1. Суммарная равномерно распределенная нагрузка на модель принималась эквивалентной нагрузке интенсивностью 2,96 кПа на натурное покрытие, ветровая нагрузка моделировала ветровое давление для IV ветрового района, нагрузка от мостовых кранов- нагрузку от совместной работы двух кранов грузоподъемностью 300 кН, нагрузка от подвесных кранов моделировала нагрузку от совместной работы двух однопролетных подвесных кранов пролетом 15000 мм грузоподъемностью до 32 кН. В случае загружения испытываемой конструкции равномерно распределенной, ветровой и нагрузками от мостовых кранов моделировалось здание размерами в плане 36000x36000 мм. При действии нагрузок от подвесных кранов моделировалось здание размерами 24000x24000 мм. Соответствие между натурным покрытием и моделью устанавливалось с использованием теории подобия.
