Введение к работе
Актуальность проблемы. Развитие автоматизации промышленного производства, использование гибких технологических линий и переход на многофункциональное назначение зданий вызывает необходимость возведения сооружений со свободной планировкой внутреннего пространства и соответственно с увеличенными пролетами.
Использование традиционных рамных каркасов для большепролетных зданий является неэффективным, так как с увеличением величины перекрываемого пролета происходит значительное возрастание расхода металла на ригель-ные конструкции. Известные в настоящее время пространственные стержневые конструкции также являются нерациональными при их использовании в сооружениях с увеличенными пролетами ввиду недостаточной несущей способности конструктивных элементов.
Наиболее целесообразным для большепролетных производственных зданий можно считать использование висячих комбинированных конструкций, в которых основные несущие элементы (гибкие нити) работают на растяжение, что позволяет наиболее эффективно использовать их высокопрочные свойства. Зарубежный и отечественный опыт строительства сооружений с использованием висячих систем подтвердил их высокую эффективность и перспективность.
Основным недостатком висячих покрытий является их повышенная де-формативность, вызванная появлением кинематических перемещений и упругих удлинений. Исходя из этого, ключевой проблемой в области применения висячих систем является задача повышения жесткости таких конструкций. К числу перспективных направлений по решению указанной проблемы относится разработка пространственных стержневых покрытий.
Изучению строительных конструкций данного типа посвятили свои работы Н.М.Кирсанов, Н.С.Москалев, В.И.Трофимов, А.П.Морозов и другие. В настоящее время наиболее широкое применение нашли следующие два типа висячих пространственных покрытий: покрытие, состоящее из плоских висячих поперечников объединенных в пространственную систему через систему перекрестных балок (перераспределение нагрузки осуществляется по нижнему поясу висячих комбинированных конструкций) и покрытие с перекрестными несущими нитями (перераспределение нагрузки осуществляется по верхнему поясу висячей комбинированной нагрузки). Перечисленные конструкции обладают высокими эксплутационными свойствами при восприятии распределенных нагрузок. Однако при сосредоточенных воздействиях, например крановых нагрузок, что характерно для производственных и многофункциональных зданий, в таких системах возникают значительные кинематические перемещения. Таким образом, для расширения области использования висячих покрытий в промышленном строительстве необходима разработка конструктивных пространственных систем способных эффективно воспринимать, как распределенные, так и сосредоточенные эксплутационные воздействия.
В связи с появлением новых пространственных конструктивных форм висячих пространственных стержневых покрытий возникает задача о разработке
эффективных матричных алгоритмов их нелинейного расчета позволяющих адекватно оценить напряженно-деформированное состояние и оптимизации компоновочных параметров. Кроме того, возрастающие требования к безопасности зданий и сооружений диктуют необходимость оценки эксплутационной надежности, как известных конструкций, так и разрабатываемых в последнее время, на основе разработки вероятностных методик расчета. Основы расчета надежности в строительстве, а также вероятностных методов расчета изложены в работах В.В.Болотина, А.Р.Ржаницина, В.Д.Райзера, А.В.Перельмутера, О.В.Лужина. Разработке вероятностных методов расчета плоскостных висячих и вантовых конструкций посвящены работы В.А.Смирнова, В.С.Сафронова. Вместе с тем необходимо сказать, что вопросы вероятностного расчета применительно к висячим стержневым покрытиям рассмотрены только для узкого круга задач. Отметим, что опыт эксплуатации пространственных и большепролетных покрытий и анализ их аварий (например, авария Байтового подвесного покрытия крытого конькобежного центра в Крылатском, г.Москва) выявил необходимость рассмотрения вопросов оценки риска разрушения висячих пространственных систем.
На основании изучения состояния вопроса по проблеме повышения жесткости висячих конструкций сформулирована цель настоящей работы.
Цель работы: разработка новых форм висячих пространственных конструкций повышенной жесткости и исследование закономерностей изменения их напряженно-деформированного состояния при различных видах эксплутацион-ных воздействий.
Для достижения поставленной цели были поставлены и решены следующие взаимосвязанные задачи:
-
Разработать принципы формообразования висячих стержневых покрытий и на их основе предложить новые типы пространственных покрытий.
-
Предложить расчетные пространственные модели гибких элементов и висячих стержневых конструкций в матричной форме с учетом геометрической и физической нелинейности, как в статической, так и в динамической постановках.
-
Провести как теоретические, так и экспериментальные исследования закономерностей изменения напряженно-деформированного состояния предложенных пространственных висячих покрытий при различных видах расчетных воздействий.
-
Разработать методики параметрической оптимизации и поиска схем невыгодного загружения пространственных висячих конструкций, определить рациональные области компоновочных параметров висячих пространственных покрытий и найти схемы их невыгодного загружения.
-
Разработать методики расчета надежности предложенных конструктивных висячих стержневых конструкций и выполнить оценку риска их разрушения.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
принципы формообразования висячих покрытий (объемно-простран
ственного или 3D формооброзования и наложения планов), что позволило соз
дать новый класс конструкций, названный висячие комбинированные про
странственные стержневые конструкции;
нелинейные методики оценки напряженно-деформированного состояния
висячих стержневых конструкций, включающие в себя:
расчетные модели гибких нитей, позволяющие учесть конструктивную нелинейность, провисания от действия собственного веса, совместное действие поперечных и продольных нагрузок, развитие пластических деформаций, а также предварительную регулировку длин элементов и температурные удлинения (укорочения);
итерационные алгоритмы нелинейного расчета с повышенной и управляемой скоростью сходимости, как в статической, так и динамической постановке.
теоретически установленные и экспериментально подтвержденные зако
номерности изменения напряженно-деформированного состояния пространст
венных висячих стержневых покрытий, в том числе:
при учете конструктивной или геометрической нелинейности, а также с учетом провисания гибких нитей и истории нагружения;
при параметрическом динамическом воздействии с учетом изменения жесткостных свойств висячей конструкции;
при учете статистической неоднородности эксплуатационной нагрузки и прочности несущих элементов с учетом конструктивной нелинейности.
методики параметрической оптимизации по выбору геометрических и физических компоновочных параметров, а также схем невыгодного загруже-ния;
практические рекомендации по выбору конструктивных схем пространственных висячих покрытий, их компоновочных параметров, схем нагружения, схем торцевых и продольных конструкций, методов монтажа;
методики оценки надежности висячих конструкций, критерии оценки риска, статистические коэффициенты учета развития пластических деформаций и предотвращения возникновения прогрессирующего разрушения, классификация технических состояний висячих конструкций.
Научная новизна работы:
разработаны новые конструктивные решения пространственных висячих стержневых покрытий промышленных зданий, на которые получено а.с. СССР и два патента РФ;
предложены новые расчетные модели гибкой нити, позволяющие учесть провисания от действия собственного веса, совместное действие поперечных и продольных нагрузок, а также развитие пластических деформаций и истории нагружения;
разработаны эффективные итерационные алгоритмы нелинейного расчета висячих стержневых конструкций для различных видов статического и динамического воздействия;
установлены закономерности изменения напряженно-деформированного состояния висячих стержневых пространственных покрытий в условиях геометрической, конструктивной и физической нелинейности, а также истории на-гружения при различных видах статистических и динамических нагрузок;
разработаны новые методики оптимизации геометрических и физических параметров висячих систем и параметрического поиска схем их наиболее невыгодного загружения;
впервые разработаны методики расчета вероятности неразрушения висячих конструкций, предложена классификация оценки их технических состояний, а также предложены и оценены статистический коэффициент развития пластических деформаций и дополнительный коэффициент условий работы, предотвращающий возможность развития прогрессирующего разрушения.
Достоверность результатов работы обеспечивается:
использованием фундаментальных положений строительной механики и теории висячих конструкций;
сопоставлением полученных данных с результатами тестовых расчетов, а также результатами других ученых;
хорошей сходимостью теоретических результатов с данными проведенных экспериментальных исследований лабораторной модели многопролетного висячего стержневого покрытия, а также использованием современных методов измерений и статистических методов обработки результатов измерений.
Практическое значение работы:
разработаны расчетные схемы висячих стержневых конструкций позволяющие учесть геометрическую нелинейность, «выключаемость» гибких «сжатых» элементов, физическую нелинейность (как на однократные, так и на многократные нагружения) при действии различных видов статических и динамических нагрузок;
на основе предложенных методик статического и динамического расчетов, параметрической оптимизации и оценки надежности созданы пакеты прикладных программ для расчета висячих стержневых конструкций;
разработаны методики оценки риска и технических состояний висячих стержневых конструкций, а также развития пластических деформаций со статистических позиций;
даны практические рекомендации по назначению основных компоновочных размеров висячих пространственных покрытий, выбору схем их невыгодного загружения, а также на основе изучения рисков предложена классификация технических состояний висячих конструкций.
Внедрение результатов работы.
Результаты работы использованы при проектировании ряда висячих покрытий сборочных цехов и складских зданий пролетами от 48 м до 72 м, пешеходного висячего моста пролетом 73 м, а также при проведении технической оценки состояния стальных конструктивных элементов зданий и сооружений (в Воронежском филиале «РосдорНИИ», ООО «Инженерный центр технической экспертизы и диагностики «ЭКСПЕРТ», 000 «Экспертные Расчетные Технологии», 000 «АРТСТРОЙПРОЕКТ», 000 «ТРАНСПРОЕКТ», 000 «ГЕО-
ЗЕМСТРОЙ», ООО «РЕКЛАМА-С», Семилукский огнеупорный завод) и в учебном процессе Воронежского архитектурно-строительного университета.
Апробация результатов работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на ежегодных научных конференциях профессорско-преподавательского состава Воронежского архитектурно-строительного университета (1990^-2010 гг.); Международной конференции «Ресурсосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» (БТИСМ, г.Белгород, 1993 г.); П-й Международной конференции ICMB'93 «Материалы для строительства» (ДИСИ, Украина, г.Днепропетровск, 1993 г.); Международной конференции «Совершенствование стройматериалов, технологий и методов расчета конструкций в новых экономических условиях» (ССИ, Украина, г.Сумы, 1994 г.); Всероссийской школе «Современные проблемы механики и прикладной механики»» (ВГУ, г.Воронеж, 1998 г.); Ш-й и VII-й Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» (ПГУАС, г.Пенза, 2004 г., 2008 г.); научном симпозиуме «Актуальные проблемы компьютерного моделирования конструкций и сооружений» (ПГТУ, г.Пермь, 2008 г.); Международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве SIB-2008» (ВГАСУ, г.Воронеж, 2008 г.); научном симпозиуме Ассоциации кафедр металлических конструкций СНГ (ДНАСА, Украина, г.Макеевка, 2008 г.); научной сессии «Особенности проектирования и расчета пространственных конструкций на прочность, устойчивость и прогрессирующее разрушение» (МОО «Содействие развитию и применению пространственных конструкций в строительстве», Научный совет РААСН «Пространственные конструкции зданий и сооружений», Москва, 2009 г.); международной конференции «Актуальные проблемы исследований по теории расчета сооружений» (ФГУП НИЦ «Строительство», Москва, 2009 г.).
Публикации по теме работы. Основные результаты работы отражены в 45 научных публикациях и использованы в трех изобретениях, в том числе 13 научных публикаций из Перечня периодических изданий рекомендованных ВАКом России для публикации материалов диссертаций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, общих выводов, библиографического списка и приложения. Работа изложена на 420 страницах, в том числе 247 стр. машинописного текста, 152 рисунков, 64 таблиц, библиографический список содержит 291 наименования литературных источников.
