Введение к работе
:'ГЄ' ' .
Актуальность темы. Исследования последних лет показали эффективность применения легких металлических конструкций комплектной поставки, включающих в качестве несущих конструкций блоки покрытия на прямоугольную и квадратную сетку колонн. Особенно это относится к производственным зданиям среднего, легкого и точного машиностроения, автомобильной промышленности, транспорта, парфюмерной промышленности и других отраслей, предполагающих квадратную сетку колонн и оборудованных подвесными кранами. Кроме того, требования универсальности и «гибкости» производственных зданий, возможность частой смены технологических процессов, переход от линейных технологий х «гибким», роботизация предполагает укрупнение сетки колонн и переход от системы стропильных и подстропильных ферм к блокам на квадратную сетку колонн. Конструкции в виде стержневых блоков покрытия удовлетворяют повышенным эксплуатационным требованиям (повышенные нагрузки, в том числе сосредоточенные, кранозое оборудование и т.д.) и обладают выразительными архитектурно-эстетическими свойствами, что позволяет применять юс не только в промышленных, но и в общественных зданиях.
В нашей стране построен ряд крупных заводов по изготовлению стальных конструкций с применением эффективных профилей и материалов. Однахо потребность в зданиях комплектной поставки из легких металлических конструкций удовлетворяется лишь на 23%. Особенно возросла потребность в таких зданиях посте разрушительного землетрясения в Армении в декабре 1988г.
За последние годы наиболее крупные исследования по разработке стержневых блоков покрытия проводятся в ЦНИИПромзданий при участии ЦНИИСК и других организаций. Основное направление развития стержневых конструкций покрытий идет по пути усовершенствования существующих конструктивных решений, выбора рациональных конструктивных систем. Выбор рациональных конструктивных систем связан с численной оценкой реальной несущей способности конструкций посредством расчета с учетом предельного состояния конструкции, а также проведением экспериментальных исследований. Это делает необходимым учет нелинейности работы конструкции — геометрической, физической и конструктивной, а также предъявляет повышенные
' требования к качеству обработки результатов экспериментальных исследований.
Исследования поведения конструкции под нагрузкой и предельных состояний последней необходимо проводить с учетом реальной деформативности покрытия, которая зависит от деформативности узловых соединений. Поэтому на первом этапе численных исследований рассчитывается фрагмент блока (фрагмент фермы, узел); далее полученные характеристики фрагмента используются при моделировании покрытия в целом.
Для определения технико-экономических показателей покрытий необходимо подобрать сечения элементов, провести их унификацию, определить массу и на ее основе — показатели стоимости и трудоемкости. Поэтому необходима разработка процедур по автоматизированному подбору сечении элементов металлических покрытий и определению технико-экономических показателей рассматриваемых конструктивных систем.
Таким образом, проблема выбора рациональных конструктивных систем и оптимизации представляет собой комплексную задачу расчета строительных конструкций, математической теории оптимизации и экономики. С этой целью необходима разработка специальных вычислительных комплексов, позволяющих исследовать предельные состояния конструкций, выявлять рациональные конструктивные системы, проводить оптимизацию последних.
Цель работы заключается в разработке и исследовании стержневых блоков покрытий с использованием системы перекрестных ферм из открытых профилей, а также разработке аппарата для исследования и разработки металлических стержневых блоков покрытия на прямоугольном и квадратном плане. Для достижения указанной цели ставятся следующие основные задачи:
-
Разработать аппарат для расчетов, численных исследований и оптимизации стержневых блоков покрытий, включающий геометрически и физически нелинейные конечные элементы стержня и пластины, процедуры по подбору сечений элементов и определению технико-экономических показателей, а также программы обработки результатов экспериментальных исследований.
-
Провести экспериментально-теоретические исследования применяемых в блоках покрытия различных типов узловых соединений, выявить особенности работы узлов и оптимальные параметры последних, дать рекомендации по расчету узлов.
-
Выбрать оптимальную геометрическую схему и параметры опытно-промышленного блока покрытия размерами в плане 18x18м.
-
Провести численные исследования выбранной оптимпьной конструктивной схемы блока при действии вертикальной статической нагрузки (с учетом реальных характеристик узловых соединений и конструктивных особенностей), а также горизонтальной и вертикальной сейсмической нагрузки.
5. Провести натурные испытания опытно-промышленного образца блока.
На защиту выносятся:
результаты экспериментально-теоретических исследований монтажных узловых соединений систем перекрестных ферм;
результаты экспериментально-теоретических исследований опытно-промышленного образца блока покрытия с использованием систем перекрестных ферм, проведенные с учетом конструктивных особенностей и реальной податливости монтажных соединений;
результаты численных исследований работы блоков покрытия с использованием перекрестных систем при работе на сейсмические нагрузки.
Научная новизна работы определяется разработкой новой версии вычислительного комплекса (ВК) «МАСИС+» (Машинная Автоматизированная Система Исследования Сооружений — Версия для оптимизации), включающей процедуры автоматизированного подбора сечений элементов и программы для обработки результатов тензометрировання строительных конструкции, результатами численных и экспериментальных исследований, авторским свидетельством и разработанной конструкцией сейсмостойкого блока покрытия.
Практическое значение и реализация работы:
использование разработанной версии ВК «МАСИС+» научно-исследовательскими и проектными организациями позволит сократить объем экспериментальных исследований, выявлять рациональные конструктивные системы покрытий и проводить их оптимизационные расчеты;
использование разработанных на базе ВК «МАСИС+» новых конструктивных решений позволит улучшить технико-экономические показатели проектных
решений производственных зданий;
результаты численных и экспериментальных исследований разработанных конструктивных решений можно будет использовать при разработке новых типов конструкций покрытий;
разработанный на основе экспериментально-теоретических исследований блок покрытия включен в типовой каталог и используется в строительстве. Вычислительный комплекс «МАСИС+» зарегистрирован в специализированном
фонде алгоритмов и программ опытного завода «Интеграл» и внедрен в следующих организациях : АрмНИИСА Госстроя Республики Армения, Научно-экспериментальной фирме «Комплект», Армпромпроект, НИИАСС Госстроя Украины, Ереванском политехническом институте, ЦНИИСК им.Кучеренко. Блоками покрытий, разработанными на базе ВК «МАСИС+», перекрыта общая площадь около 80 тыс.м2. Сейсмостойкий блок покрытия использован при строительстве следующих объектов в зоне спитакского землетрясения: в покрытиях школы-интерната в г.Талик, детского сада-ясель в г.Артнк и школы в г.Кировакан.
Апробация работы. Результаты работы и отдельных ее этапов докладывались на конференциях ЕрПИ, на секциях научно-технического совета ЦНИИСК, Научно-технического центра «Модуль» фирмы «Комплект» и АрмНИИСА за I9SS—1992г.
Публикации. По материалам работы сделано 7 публикаций, авторское свидетельство, составлено 4 отчета о научно чсследовательской работе.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованной литературы из 226 наименований, приложений, одержит 106 страниц машинописного текста, 98 рисунков, 9 таблиц.
Автор приносит глубокую благодарность научному руководителю, д.т.н., лауреату Государственных премий, заслуженному деятелю науки и техники России, проф. В.И.Трофимову за постоянное внимание и помощь при выполнении работы и научному консультанту, к.т.н., с.н.с. С.И.Авакесову.