Содержание к диссертации
Введение
1. Современное состояние в области проектирования стержневых пространственных систем и задачи исследования 7
1.1 .Развитие конструктивных решений структурных плит за рубежом 7
1.2.Развитие конструктивных решений структурных плит в России 9
1.3 .Общая характеристика структурных плит 11
1.4. Конструкция стержней и узлов 21
1.5. Методики расчета стержневых пространственных систем 32
1.6. Актуальность работы, цель и задачи исследования 37
2. Конструктивное решение новой стержневой пространственной системы 41
2.1 Линейный элемент сварногнутого профиля в известных стержневых пространственных системах 41
2.2 Модификация существующих элементов структурной конструкции для применения в них сварногнутого профиля 50
2.2.1. Модификация линейного элемента сварногнутого профиля 51
2.2.2. Модификация существующих узловых элементов для применения в них сварногнутого профиля 53
2.2.3. Смешанная модификация 56
2.3 Разработка нового узлового соединения стержневых пространственных систем 56
2.4 Выводы по главе 60
3. Экспериментально-теоретическое исследование работы нового узлового элемента 61
3.1. Цели и задачи экспериментально-теоретического исследования 61
3.1.1. Методика проведения экспериментального исследования 62
3.1.2. Методика проведения теоретической проверки результатов экспериментального исследования 68
3.2. Экспериментальное исследование работы нового узлового элемента и численная проверка результатов эксперимента 71
3.2.1. Определение рациональной формы узлового соединения 71
3.2.2. Определение рационального типа сопряжения концевого участка стержня и фасонки узлового соединения 75
3.2.3. Определение соотношения толщины фасонки узлового элемента и концевого участка стержня 78
3.2.4. Определение допусков на проектное положение опорного узла 80
3.3. Рекомендации для конструирования узловых элементов СПС 83
3.4. Выводы по главе 86
4. Теоретические исследования НДС новой конструкции пространственной стержневой структуры с учетом работы узловых элементов 88
4.1. Методика формирования матрицы жесткости методом конечных элементов, с учетом действительной работы узловых сопряжений 88
4.2. Расчет фрагмента структурной плиты с учетом работы узловых элементов 93
4.3. Выводы по главе 98
5. Экономическая эффективность применения новой конструкции структурной плиты 99
5.1.Эффективность пространственных стержневых систем из сварногнутых профилей и новых узловых элементов 99
5.2.Технико-экономические показатели нового узлового элемента каркасного типа 100
5.3.Область применения пространственных конструкций с использованием в них линейных элементов сварногнутого профиля 107
5.4.Автоматическая сборка пространственной стержневой плиты 113
5.5.Выводы по главе 117
6. Основные выводы и результаты 118
Список литературы 121
- Методики расчета стержневых пространственных систем
- Модификация существующих узловых элементов для применения в них сварногнутого профиля
- Определение допусков на проектное положение опорного узла
- Расчет фрагмента структурной плиты с учетом работы узловых элементов
Введение к работе
Потребность различных областей строительства и техники в предельно облегченных и в то же время прочных каркасах, появление в промышленности широкого ассортимента прокатных и трубчатых профилей из стали, алюминия и других сплавов, разработка различных способов эффективных соединений группы стержней в заданной точке пространства - открыли дорогу массовому применению структурных конструкций в строительстве.
Эти конструкции получили широкое распространение в строительной практике, как в России, так и за рубежом благодаря возможности оптимизации и унификации составляющих их элементов, высокой степени заводской готовности, удобству транспортировки и монтажа в труднодоступных районах строительства. Возможность перехода от двухмерной конструктивной формы конструкций к трехмерной позволило рационально распределить нагрузки и выравнивать силовое поле в конструкции без неизбежных в плоских системах концентраций усилий, что благоприятно сказалось на весовых характеристиках сооружения.
Методики расчета стержневых пространственных систем
В настоящее время теория расчета регулярных стержневых систем получила глубокое и всестороннее развитие в работах советских и зарубежных исследователей В.М. Меланича, В.А.Игнатьева, В.А.Лебедева, Л.Н.Лубо, Г.И. Пшеничнова, В.И.Трофимова, Р.И. Хисамова и других авторов [23, 47, 62,66,96,99,107,117].
Наиболее полно изучены вопросы деформирования конструкций типа структурных плит при статических нагружениях. Существенный интерес представляет расчет структурных конструкций в виде плит, оболочек, складок, куполов при статических и динамических нагрузках, с учетом действительной работы элементов конструкции с целью расширения области применения этих эффективных конструкций.
Одним из основных вопросов строительной механики сооружений является выбор расчетной схемы, адекватной рассматриваемой конструкции, что позволяет получить достоверные теоретические результаты. Расчетная модель определяется топологией и напряженно-деформированным состоянием конструкции которое выявляется, как правило, в процессе экспериментальных исследований.
В регулярных стержневых системах типа структурных плит и оболочек вследствие большого количества стержней, сходящихся в каждом узле, распределение усилий между стержнями происходит наиболее рационально: каждый стержень испытывает, в основном, осевые усилия растяжения или сжатия. Изгибные и крутильные усилия в стержнях малы, поэтому соединения в узлах в большинстве методик расчета принимаются шарнирными. Однако при разряжении решетки, в линейных элементах конструкции могут возникать моменты, существенно влияющие на их напряженно деформированное состояние.
В расчетном отношении регулярные пространственные стержневые системы являются многократно статически неопределимыми системами. Расчет таких систем представляет собой сложную задачу механики стержневых систем.
В известных публикациях по вопросам расчета регулярных стержневых систем можно явно выделить две тенденции в построении расчетных схем: континуализация и дискретизация конструкции [21, 23, 29, 54, 64, 66 ,101]. Развитие теории расчета рассматриваемых конструкций связано с последующим уточнением обеих расчетных моделей: континуальной, в которой среда наделяется специфическими свойствами лишь в некотором интегральном смысле, сопоставимыми с упруго-механическими свойствами исходной конструкции, более точно учитывающей индивидуальные особенности каждого элемента конструкции.
С физической стороны это объясняется двойственностью рассматриваемых конструкций, заключающейся в сочетании непрерывности геометрических форм с дискретным распределением материала. С математической стороны - принципиальной связью математических аппаратов, описывающих обе расчетные модели. Взаимно дополняя преимуществами, свойственными каждому из направлений, расчетные модели обеспечивают совершенствование теории регулярных стержневых систем.
Континуальные модели являются простым средством для сравнения конструкционных решеток различной конфигурации и для оценки реакции регулярных систем на изменение физических и геометрических характеристик [54, 64]. Континуальный подход целесообразно использовать и в том случае, когда интерес представляют интегральные свойства периодических конструкций. Безусловным достоинством континуальной расчетной схемы является возможность использовать современные достижения в методах расчета пластин и оболочек.
Основным моментом в аппроксимации регулярных стержневых систем континуальными моделями является выбор соотношений между физическими и геометрическими характеристиками двух систем. Переход от дискретной регулярной системы к эквивалентной ей анизотропной или изотропной континуальной системе может быть выполнен несколькими способами: — на основе сопоставления характеристик усилий или деформаций или усилий и деформаций малого участка решетки и малого элемента сплошной среды; — по методу дискретного поля для получения определяющих разностных соотношений для решетки и их дальнейшее непосредственное решение или преобразование в приближенные дифференциальные уравнения; — на основе разложения узловых перемещений повторяющегося элемента решетки в ряд Тейлора или приравнивания потенциальной и кине тической энергии решетки и континуальной модели. Достаточно простой метод получения континуального элемента структурных конструкций предложен в работах [54, 64, 101], который можно сформулировать в виде трех последовательных операций: — определяются все типы повторяющихся элементов конструкции; — для каждого типа определяются континуальные свойства; — определяется вклад каждого типа в "суммарные" континуальные свойства всей системы. В случае готового решения для плит необходимо правильно перейти от усилий в плите к усилиям в стержнях структурной конструкции. Этот переход можно осуществить лишь для конструкций с относительно малой высотой 1/15 от пролета, в противном случае необходим учет деформаций сдвига, то есть классическая теория дает большую погрешность. Дискретная расчетная схема обусловливает описание напряженно-деформированного состояния исследуемых конструкций в виде системы алгебраических уравнений, порядок которой может быть достаточно высоким, что предполагает необходимость использования современной вычислительной техники для проведения расчетов.
Модификация существующих узловых элементов для применения в них сварногнутого профиля
Проведенное выше исследование существующих конструктивных решений узловых элементов выявило то, что приоритетным направлением в области их разработки и применения является поиск предельно облегченных, жестких и обладающих высокой несущей способностью типов узловых соединений. Безусловно, этим требованиям отвечают узловые элементы каркасного типа. Специфика линейных элементов СГП позволила автору разработать новое узловое соединение каркасного типа, при этом данный узел можно применять в структурных плитах со стержнями из проката или труб со сплющенными концами.
Наиболее прогрессивным способом является сборка из укрупненных элементов [74]. Несмотря на преимущество такого способа, он не нашел широкого применения в практике отечественного строительства ввиду отсутствия эффективных узловых соединений а также по причине того что сборка структурной плиты все равно получается поэлементной. Учитывая, что транспортировка сварногнутых элементов в виде плоских заготовок, свернутых в бухты, дает возможность получить стержни неограниченной длины, целесообразно собирать стержневую плиту из длинноразмерных элементов. В этом случае, стержни верхнего и нижнего поясов в одном из направлений (продольном или поперечном) выполняют длинноразмерными, равными длине плиты. При сборке конструкции из таких элементов можно использовать новое узловое соединение «ПФ1» (рис 2.14) [57].
Узловое соединение на плоских фасонках имеет вид четырехгранной чаши ГІФІ, применимо для структурных плит из длинноразмерных элементов, на пролет. Образуется путем объединения стержней при помощи листовых фасонок 2, которые устанавливают в месте пересечения длинноразмерных поясных линейных элементов 3 с поперечными стержнями. Стороны фасонок примыкающих к стержням повторяют их очертание, и позволяют исключить использование накладок на концевых участках поясных линейных элементов. При этом разработаны две модификации (ПФ11, ПФ12) этого узлового элемента, отличающиеся конструкцией фасонок.
Модификация ПФ11. Фасонки узлового элемента охватывают концевой участок стержневого элемента по всей ширине (рис. 2.14, а). Недостатком данной модификации является нарушение соосности сопряжения линейных элементов, что ведет к снижению несущей способности сопряжения. Это ограничивает возможность применения данного узлового элемента по величине перекрываемого пролета сооружения.
Модификация ПФ12. Фасонки выполняются на 1/3 ширины стержневого элемента, симметрично относительно центральной оси стержня (рис. 2.14, б). По сравнению с первой модификацией здесь соблюдается требование соосности линейных элементов сопрягающихся в узле.
При сборке структурной плиты с применением данного узлового соединения и длинноразмерных поясных элементов, на пролет, на строительной площадке бухты с плоскими заготовками стержней разворачивают, зажав концы механическими струбцинами, через штуцер подают сжатый воздух, с помощью которого формируют поперечное сечение. Затем приступают к сборке структурной плиты. Сборку начинают с раскладки продольных стержней нижнего пояса на землю, а верхнего - на подмостях или специальных стойках. Плиту собирают от центра к краям путем последовательного соединения поперечных и наклонных стержней в нижнем поясе, затем производится крепление наклонных элементов к углам верхнего пояса и, наконец, крепление поперечных элементов верхнего пояса. В процессе сборки объединение поперечных стержней 4, длинноразмерным элементам 3 и фасонок 2 s производится с помощью сварки. Наклонные стержни 1 к фасонке 2 крепят при помощи сварки или на болтах. Достоинством предлагаемого узлового элемента является то, что фа-сонки, привариваемые к поясным стержням сварногнутого профиля повышают жесткость их концов. Это позволяет отказаться от дополнительных элементов - накладок на концевых участках поясных стержней сварногнутого профиля. Это узловое соединение не требует высокой точности изготовления и сборки, характеризуется высокой жесткостью, низкой металлоемкостью и трудоемкостью изготовления. Позволяет производить сборку струк турной плиты укрупненными элементами из длинноразмерных стержней, на пролет. В общем, применение предлагаемых узловых элементов позволяет получить комплексный технико-экономический эффект, выражающийся в упрощении конструкции, снижении ее металлоемкости и трудоемкости изготовления, и повышении прочности структурных конструкций, в которых применяется сварногнутый профиль. Узловое соединение ПФ1 можно использовать для любых типов решеток существующих структурных плит и типов сечений линейных элементов. Модификации узлового соединение ПФ1 предложены для структурных плит из длинноразмерных элементов, на пролет. Модификацию узлового элемента ПФ11 можно применять в структурных конструкциях с небольшими пролетами, до 12 м, и небольшими нагрузками на покрытие. Модификацию узлового элемента ПФ12 можно применять в структурных конструкциях с пролетами, до 24 м.
Определение допусков на проектное положение опорного узла
Важным фактором, влияющим на трудоемкость монтажа и изготовления линейных и узловых элементов, является принцип их сопряжения. Серия экспериментов была посвящена исследованию типов сопряжения стержня и фасонки узлового соединения. Были рассмотрены варианты с наружным (односторонним, двусторонним), и внутренним (между фасонками узлового элемента) креплением концевого участка стержня СГП (рис. 3.9).
Наиболее технологичным и простым является первый вариант. Другие варианты требуют модификации стержневого элемента (второй вариант) или модификации фасонок узлового элемента (третий вариант), что ведет к удорожанию структурной конструкции и увеличению трудоемкости изготовления элементов конструкции. Однако при креплении стержня к узлу по второму и третьему вариантам исключается эксцентриситет приложения нагрузки к фасонкам узлового элемента и повышается совместная работа фасонки и концевого участка линейного элемента.
В ходе эксперимента измерялась величина критической силы, при которой происходила потеря устойчивости узлового соединения по каждому из вариантов крепления. Результаты эксперимента и проверки теоретическим расчетом представлены на рис 3.10 и в прил.З.
Из результатов экспериментально-теоретического исследования следует, что величина критической силы имеет наименьшее значение при одностороннем креплении стержня к узловому элементу, а наибольшее при третьем варианте сопряжения стержня и фасонки (рис.
Уменьшение критической силы в первом варианте Р кр происходит за счет эксцентриситета сопряжения концевых участков линейного элемента и фасонки узла. Величина критической силы при втором варианте Р( \р (двустороннем креплении стержня) выше, чем в первом варианте на 10... 15%, за счет исключения эксцентриситета сопряжения элементов и их лучшей совместной работы. При третьем варианте крепления, защемление концевого уча 77 стка между фасонками узла дает наибольший эффект от совместной работы фасонки и концевого участка стержневого элемента. Величина критической силы при таком сопряжении Р(3)кр больше чем при двустороннем креплении линейного элемента на 7...8%.
Результаты экспериментально-теоретического исследования подтверждают что, при всех вариантах крепления происходит увеличение жесткости фасонки узлового соединения за счет совместной работы стержня и узла. Анализ результатов экспериментально-теоретического исследования позволил сделать следующие выводы: 1. Первый вариант сопряжения рекомендуется применять при небольших пролетах структурной плиты (до 12 м) и небольших усилиях в линейных элементах. При выполнении этих условий влияние отрицательных свойств такого варианта сопряжения на несущую способность конструкции будет невелико. Второй и третий варианты можно применять при больших пролетах, рекомендуемых для структурных плит, но применение двустороннего крепления целесообразно только при отработанной технологии доработки концевого участка линейного элемента. 2. В первом и третьем вариантах сопряжения фасонки играют роль накладок на не раздутом участке линейного элемента. При продолжении фасонок на зону стержня с резким изменением поперечного сечения заменяют, при одностороннем креплении, одну накладку на концевом участке линейного элемента, а при защемлении концевого участка между фасонками необходимость в применении дополнительных накладок отпадает.
Прочность и жесткость нового узлового соединения каркасного типа обеспечивается прочностью и жесткостью составляющих его элементов -фасонок. В узловых элементах каркасного типа, выбранных для экспериментально-теоретического исследования, эти факторы зависят от толщины фасонок узлового элемента, а толщина фасонки, в свою очередь, находится в прямой зависимости от толщины концевых участков стержней, сопрягающихся в данном узловом соединении. Следовательно, основным критерием подбора толщины фасонки при конструировании узлового элемента является ее зависимость от толщины концевого участка линейного элемента.
Для определения соотношения между толщинами элементов узлового соединения из условия их равнопрочности и равноустойчивости была спланирована и проведена серия испытаний моделей узловых и линейных элементов с изменяемым параметром - толщиной концевого участка линейного элемента сварногнутого профиля. При толщинах фасонок узлового элемента 1ф=0.5мм и Ц=\ мм проводилась вариация их соотношения с толщиной концевых участков линейных элементов в диапазоне 0.5 t 2tn 5, за счет изменения толщины полос плоской заготовки и применения накладок на концевые участки линейных элементов сварногнутого профиля (рис 3.11). Выходными данными эксперимента являлась величина критической силы, при которой происходила потеря устойчивости фасонки узлового элемента или общая потеря устойчивости линейного элемента.
Экспериментальные данные сопоставлены с результатами расчета узлового элемента при аналогичных граничных условиях и соответствующем загружении. В теоретическом исследовании использовалась расчетная модель узлового элемента описанная в п. 3.1.3. Результаты эксперимента приведены в прил. 4.
Расчет фрагмента структурной плиты с учетом работы узловых элементов
В данной главе проведены технико-экономическое сравнение новой конструкции структурной плиты с известными конструктивными решениями и оценка экономической эффективности. Разработаны рекомендации по автоматизации монтажа структурных конструкций с использованием новых линей2ных и узловых элементов в специфических условиях.
Эффективность любого узлового элемента зависит от многих факторов, к которым можно отнести следующие: весовые характеристики, несущую способность, технологичность изготовления, рациональность формы узла и стоимость. Рассмотрим каждый из перечисленных показателей применительно к новому узловому элементу каркасного типа.
Рациональность узлового элемента определяется в основном вариантом его конструктивного решения, которое при заданных ограничениях по массе должно обеспечить максимальную несущую способность. Но, например, масса получивших широкое распространение и эффективных с точки зрения жесткости и несущей способности узловых соединений «Меро» и его модификаций может достигать 30% от веса всей структурной конструкции [36]. Узловые элементы каркасного типа, сохраняя рациональную форму (приближенную к форме сферы), обеспечивающую равномерное распределение напряжений в фасонках узла, обладают значительно меньшей массой при тех же нагрузках, действующих на структурную конструкцию.
Применение нового узлового элемента каркасного типа (ПФ1, ІЖ2) кроме улучшения собственных характеристик упрощает технологию изготовления линейных элементов сварногнутого профиля. Выступы фасонок, продолженные на зону стержня с резким изменением поперечного сечения, заменяют накладки на концевых участках, которые необходимы в линейных элементах сварногнутого профиля работающих на сжатие. Технология изготовления узловых элементов каркасного типа позволяет использовать конвейерную штамповку и выпускать узловые элементы полной заводской готовности. Это ведет к значительному упрощению технологии изготовления линейного элемента и уменьшению его себестоимости, уменьшает трудозатраты и стоимость проведения формообразования сварногнутого профиля на строительной площадке.
При больших перекрываемых пролетах и больших нагрузках на покрытие широко используются такие узловые сопряжения как «ЦНИИСК» и «Ок-таплатт», но в данные конструктивные решения весьма трудоемки в исполнении, поскольку требуется большое количество ответственных сварочных работ. Новый узловой элемент также возможно применять при больших нагрузках, но он не требует обязательного применения сварки, так как сопряжение узлового элемента и стержня, при котором концевой участок фиксируется между фасонками узла на болтах, обеспечивает их достаточную совместную работу, а при использовании сварки она в большей степени играет фиксирующую функцию.
Эффективность пространственных стержневых систем из сварногнутых профилей и новых узловых элементов рассмотрена на примере структурной плиты, с размерами в плане 10 12 м, высотой 1,2м. Поясная сетка состоит из квадратных ячеек со стороной 2м. (рис.5.1). Основные параметры плиты назначались с учётом рекомендаций [42, 56] п. 4.1. Плита опирается по углам на четыре колонны. Расчётная нагрузка на покрытие составляет 3 кН/м2.
Проведено технико-экономическое сравнение новой конструкции структурной плиты с известными конструктивными решениями структурных плит, отличающихся типом профиля, из которых собирается структура, и вариантом узлового соединения (табл.53). В каждом варианте структурной плиты принято наиболее эффективное узловое соединение для используемого в линейных элементах типа профиля: в первом варианте приняты сечения из прокатных уголков и швеллеров с узловым соединением на листовых фасонках; в втором варианте круглая труба и отечественная модификация узлового соединения «Меро» — «ЦНИИСК»; в третьем прямоугольные трубы с узловым соединением на пространственных сварных фасонках, в четвертом варианте применялся сварногнутый профиль с узловым соединением на пространственных сварных фасонках; в пятом варианте применялся сварногнутый профиль и новое узловое соединение каркасного типа ПК1. При чём на концах стержней, выполненных из прямоугольных труб, устраиваются специальные наконечники для удобства крепления в узлах.
Для заданной расчётной схемы определены усилия в стержнях и подобраны сечения профилей. Усилия в элементах решётки вычислялись с помощью ЭВМ по программе ЛИРА 9.0. Площадь поперечного сечения прокатных и трубчатых профилей рассчитывалась по программе ЛИРА СТК. Другие характеристики взяты из сортамента [73,89]. Подбор сечения свар-ногнутого профиля выполнялся по методике, представленной в [48]. На основании полученных данных определена металлоемкость структурной плиты. Результаты вычислений приведены в табл. 5.1.
Для разносторонней оценки эффективности конструктивных решений определены показатели себестоимости конструкции в деле для всех ранее рассмотренных вариантов структуры. Расчет выполнялся по методике, предложенной в [91,92,93], согласно которой данный показатель определяется по формуле: где Сд - себестоимость конструкции в деле; Сз - заводская себестоимость (включая узловые элементы); Стр - затраты по доставке до строительной площадки; Су.ст. - стоимость укрупнительной сборки; См - стоимость монтажа; Со - стоимость защитной окраски; Сн - накладные расходы на строительной площадке (20%). Величины, входящие в выражение 5.1., представлены в табл. 5.1. При определении стоимости сварногнутых элементов использовались результаты / исследований, проведенные в [48]. Анализ данных проведенного технико-экономического сравнения пока зывает, что при одинаковой геометрической схеме структурной плиты наи более экономичной по металлоемкости является конструкция, выполненная из сварногнутых элементов и новых узловых соединений каркасного типа. Варианты с прокатным профилем и прямоугольными трубами значительно увеличивает массу покрытия. Аналогичный вывод сделан и в работах [28,29].
