Содержание к диссертации
Введение
1 .Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1.Анализ существующих конструктивных решений шпренгельных балок 8
1.2. Анализ существующих методик расчета шпренгельных балок 19
1.3.Задачи исследований 26
2.Теоретические исследования работы опорных узлов балок 31
2.1.Теоретические исследования работы опорных узлов с жестким штампом 34
2.1.1.Теоретические исследования работы шпренгеля 35
2.1.2.Теоретические исследования работы штампа и древесины торца верхнего пояса 39
2.2.Выводы по главе 2 45
3.Численные исследования работы опорных узлов балок 46
3.1.Разработка методики численных исследований работы опорных узлов 46
3.2. Результаты численных исследований работы опорных узлов при действительной работе древесины 52
3.3.Результаты численных исследований работы опорных узлов при принятой работе древесины 54
3.4 Выводы по главе 3 56
4.Экспериментальные исследования работы опорных узлов балок 57
4.1.Экспериментальные исследования податливости нагельных соединении 57
4.2.Результаты экспериментальных исследований податливости нагельных соединений 60
4.3. Экспериментальные исследования работы шпренгеля на месте изгиба 62
4.4.Результаты экспериментальных исследований работы шпренгеля на месте изгиба 63
4.5.Разработка методики экспериментальных исследований работы торца верхнего пояса балок 66
4.6.Результаты экспериментальных исследований работы торца верхнего пояса балок 70
4.7.Разработка методики экспериментальных исследований действительной работы опорных узлов балок 73
4.8.Результаты экспериментальных исследований действительной работы опорных узлов балок 76
4.8.1.Результаты экспериментальных исследований действительной работы опорных узлов балок без штампа 77
4.8.2.Результаты экспериментальных исследований действительной работы опорных узлов балок со штампами разной толщины 80
4.9.Выводы по главе 4 83
5. Исследование оптимальных параметров металлодеревянных шпренгельных балок 85
5.1 .Исследование деформативности металло деревянных шпренгельных балок 85
5.1.1.Исследование деформативности одностоечных металлодеревянных шпренгельных балок 86
5.1.2.Исследование деформативности двухстоечных металлодеревянных шпренгельных балок 88
5.1.3.Исследование деформативности четырехстоечных металлодеревянных шпренгельных балок 89
5.2. Определение оптимальных параметров покрытия из металлодеревянных шпренгельных балок 90
5.3 .Опре деление параметров одностоечных металлодеревянных шпренгельных балок 95
5.4.Определение параметров двухстоечных металлодеревянных шпренгельных балок 99
5.5.Определение параметров трехстоечных металлодеревянных шпренгельных балок 105
5.6.Определение параметров четырехстоечных металлодеревянных шпренгельных балок 107
5.7.Результаты исследований оптимальных параметров металлодеревянных шпренгельных балок 114
5.8.Выводы по главе 5 122
6. Технико-экономическое сравнение вариантов несущих конструкций и разработка рекомендаций по проектированию шпренгельных балок 124
6.1 .Технико-экономическое сравнение вариантов несущих конструкций 124
6.2.Рекомендации по проектированию и конструированию металлодеревянных шпренгельных балок 128
Общие выводы 132
Перспективы дальнейших исследований 134
Список использованной литературы 135
Приложения 143
- Анализ существующих методик расчета шпренгельных балок
- Результаты численных исследований работы опорных узлов при действительной работе древесины
- Экспериментальные исследования работы шпренгеля на месте изгиба
- Определение оптимальных параметров покрытия из металлодеревянных шпренгельных балок
Введение к работе
В последние годы наблюдается повышение тенденции строительства объектов павильонного типа, объектов сельскохозяйственного назначения и складских сооружений силами мелких организаций. В период перехода к рыночной экономике этому способствуют потребности мелких строительных фирм, частных организаций, фермерских хозяйств, которые стараются вести строительство своими силами и не имеют соответствующей материально-технической базы. При этом для покрытия больших пролетов, где сплошные балки становятся неэкономичными, возникает необходимость разработки сквозных несущих конструкций, которые могли бы изготавливаться собственными силами на строительных площадках или в небольших мастерских.
Здесь наиболее перспективными являются комбинированные конструкции с верхним поясом из древесины и нижним поясом из металла. Ярким примером таких конструкций являются металлодеревянные шпренгельные балки, где верхний пояс, работающий на сжатие с изгибом, изготавливается из древесины, а нижний растянутый - из стержневой арматуры, прокатной или полосовой стали.
Применение древесины для верхнего пояса аргументируется тем, что пороки древесины мало влияют на его расчетные характеристики при работе на сжатие. А также в нашей стране имеется богатая сырьевая база, и древесина является единственным материалом, который может воспроизводиться природой.
Проектирование растянутого нижнего пояса из металла объясняется тем, что он хорошо работает на растяжение и дает возможность натяжения нижнего пояса с образованием строительного подъема в балках во время эксплуатации.
Металлодеревянные шпренгельные балки имеют широкую область применения для сельскохозяйственных зданий и складских сооружений. Они
также могут использоваться в промышленном и гражданском строительстве, например, при строительстве коттеджей, различных павильонов и т. д.
Основными достоинствами металлодеревянных шпренгельных балок являются их экономичность и простота изготовления. Простота изготовления балок зависит в основном от конструкции их узлов. Известно, что распиловка и сверление древесины при изготовлении балок существенно уменьшают прочность верхнего пояса. Поэтому одним из условий проектирования и конструирования таких конструкций является цельность сечения древесины.
Цель работы: совершенствование существующих и разработка новых эффективных металлодеревянных шпренгельных балок, которые характеризуются пониженной материалоемкостью, трудоемкостью и простотой изготовления.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложены новые конструктивные решения металлодеревянных шпренгельных балок, новизна опорных узлов которых подтверждена патентом РФ на изобретение;
2. Теоретически, численно и экспериментально исследованы НДС (напряженно-деформированное состояние) и действительная работа нового типа соединения гибкого шпренгеля с деревянным верхним поясом;
3. Разработаны алгоритмы расчета и составлены программы по определению оптимальных геометрических параметров балок.
Практический выход и внедрение результатов. Разработаны новые виды металлодеревянных шпренгельных балок и методика их расчета и проектирования. Разработаны методические указания по проектированию и конструированию одно-, двух- и четырех стоечных балок для вузов строительных специальностей "Проектирование и конструирование металлодеревянных шпренгельных балок с хомутовыми соединениями опорных узлов", которые внедрены в учебный процесс КГАСА. Разработанные рекомендации могут быть также использованы проектировщиками при проектировании и конструировании металлодеревянных шпренгельных балок.
Апробация работы . Основные результаты проведенных исследований были доложены и получили одобрение на 49-55 научных конференциях Казанской государственной архитектурно-строительной академии в 1997-2003 гт.
На защиту выносятся следующие основные положения диссертационной работы:
1. Результаты теоретических, численных и экспериментальных исследований работы опорных узлов балок;
2. Результаты теоретических и численных исследований по назначению оптимальных геометрических параметров металлодеревянных шпренгельных балок.
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ.
Шпренгельные конструкции издавна привлекали внимание конструкторов своей простотой конструктивной схемы, удобством изготовления и монтажа и надежностью их в эксплуатации. Совершенствование шпренгельных конструкций выполнялось по двум направлениям:
-совершенствование их конструктивных форм;
-уточнение методов их расчета.
В зависимости от используемого в них материала шпренгельные конструкции подразделяются на:
-металлические;
-деревянные;
-комбинированные (металлодеревянные, железобетонно-металлические и ДР) По количеству стоек шпренгельные балки можно подразделить на одностоечные, двух стоечные и много стоечные.
Анализ существующих методик расчета шпренгельных балок
Проанализируем существующие методы расчета шпренгельных балок. Расчет деревянной одностоечной балки, предложенной в работе [1], предлагается производить следующим образом. Расчет верхнего пояса производится на совместное действие сжимающей силы и поперечного изгиба. Расчетный изгибающий момент в проектах Гипроавтотранса принимается в четвертях пролета равным величине (L- пролет балок), что примерно соответствует учету неразрезности верхнего пояса при некоторой осадке средней его опоры на стойке. Если стык обоих поясных досок сделан в середине пролета, расчетный изгибающий момент в четвертях принимается равным величине.
Для определения сечения поясов составлены таблицы для подбора сечения по сжатию, изгибу и растяжению. В работе [4] усилия в простейших шпренгельных системах определяются по формулам, предложенным Д.А. Кочетковым. Сложные шпренгельные системы рассчитываются на ЭВМ. Верхний пояс шпренгельных систем проверяется как внецентренно-сжатый стержень по формуле (28) СНиП [5]. Для снижения величины расчетного момента в панели верхнего пояса Предлагается использовать присоединение нижнего пояса в опорном узле с эксцентриситетом. Расчетная длина верхнего пояса при определении гибкости в плоскости балки принимается: В треугольной системе (одностоечный вариант).. 0.8 х 0.5 х / = 0.4 х / В трапециевидной системе (двухстоечный вариант): по крайней панели 0.8 х / по средней панели 0.65 х / Методика расчета одностоечных балок, рассматривающих их как двухпролетных неразрезных балок, приводится в работах [2] и [40]. Здесь рассматриваются 2 случая: 1.Верхний пояс рассматривается как двухпролетная неразрезная балка. Просадка средней опоры при этом не учитывается. Для уменьшения расчетного изгибающего момента усилие от затяжки на крайних опорах прикладывается с эксцентриситетом "е". Расчетный момент располагается при этом над средней опорой. 2. Верхний пояс рассматривается как две однопролетные балки. Просадка средней опоры такова, что изгибающий момент на ней равен нулю. В этом случае максимальный положительный момент будет в пролете. Здесь также учитывается положительное влияние эксцентриситета "г" на уменьшение расчетного изгибающего момента. Расчет одностоечной балки производится с учетом обоих рассмотренных случаев.
Проверка сечения верхнего пояса производится как для сжато изгибаемых стержней по формуле (28) СНиП [5]. Расчетную гибкость стержня для определения коэффициента "" подсчитывают по полной длине "/", где "V- расстояние между узлами. В работе [39] приводятся формулы для определения усилий в элементах шпренгельных систем при их узловом загружении. Расчетные величины шпренгельных подкрановых балок, представленных на рис. 1.4, предлагается находить через распор (усилие в горизонтальной части затяжки). Распор определяется через линии влияния. В работе [1] приводятся линии влияния от распора и изгибающих моментов от мостовых кранов для разных отношении —. Здесь также излагается методика учета изменения температуры и учета строительного подъема. В работе [47] приводится методика приближенного расчета статически неопределимых трехпанельных шпренгельных балок. Определение усилий в элементах балки производится раскрытием статической неопределимости методом перемещений. При этом учитывается удлинение шпренгеля и укорочение верхнего пояса при расчетной нагрузке, а деформациями стоек пренебрегается. Выведены формулы для определения распора (усилия в горизонтальной части затяжки) и составлены таблицы для определения коэффициентов этой формулы. В работе [57] представлена конструкция и расчетная схема (рис. 1.11) металлического двухстоечного шпренгельного складного прогона. Приводятся результаты испытаний 12-и метрового прогона на симметричное и асимметричное загружение.
Результаты численных исследований работы опорных узлов при действительной работе древесины
Целью данного исследования являлось теоретическое изучение работы опорных узлов с прямым резом торца верхнего пояса с действительной работой древесины по диаграмме рис.3.5а со штампами разной толщины. Изучение работы древесины торца верхнего пояса вдоль волокон производилось численными методами с применением вышеприведенной методики. Для исследований была принята 6-й метровая двухстоечная шпренгельная балка, нагруженная равномерно-распределенной нагрузкой 6 кг/см со следующими параметрами: - сечение бруса 150 х 60 мм; - сечение шпренгеля 60x3 мм; - сила сжатия, действующая на торце верхнего пояса: N=3060 кг; - толщина штампа варьировалась от 3 до 30 мм с шагом 5 мм. Результаты численных исследований представлены в виде эпюр нормальных напряжений, действующих на торце верхнего пояса, с разными толщинами штампов при заданных параметрах на рис.3.6. Таким образом, результаты численных исследований работы опорного узла с прямым резом торца верхнего пояса при действительной работе древесины по диаграмме рис.3.5а со штампами разной толщины позволяют сделать следующие основные выводы: 1. Опорный узел без штампа не выдерживает расчетной нагрузки (N = 3060кг). 2. Зона контакта шпренгеля с торцом верхнего пояса со штампами малой толщины не удовлетворяет условиям прочности. 3. Величина нормальных сминающих напряжений при малых толщинах штампа превышает допустимую, т.е. узлы со штампами малой толщины также являются не реальными. 4.
Существует тенденция увеличения площадей смятия и снижения уровня нормальных напряжений с увеличением толщины штампа. 5. При увеличении толщины штампа, которая определяется по формуле (2.16), характер нормальных напряжений и площади смятий изменяются несущественно. Расхождения составляют не более 15 %. 6. Величина усилия в верхней части затяжки (элемент 1-155 на рис.3.1) зависит от толщины штампа, но ее максимальная величина не превышает теоретическую (по формуле 2.10). 7. Величина нормальных напряжений на нижних фибрах верхнего пояса превышает допустимую по СНиП [5] независимо от толщины штампа. Следовательно, работа древесины переходит с упругой стадии работы на упруго-пластичную.
Целью данного исследования являлось теоретическое изучение работы опорных узлов с прямым резом торца верхнего пояса с принятой по СНиП [5] работой древесины по диаграмме рис.3.56 со штампами разной толщины. Изучение работы древесины торца верхнего пояса вдоль волокон производилось численными методами с применением вышеприведенной методики. Необходимые параметры для исследований были приняты аналогично пункту 3.2: - сечение бруса 150x60 мм; - сечение шпренгеля 60x3 мм; - сила сжатия, действующая на торце верхнего пояса: N=3060 кг; - толщина штампа варьировалась от 3 до 30 мм с шагом 5 мм. Результаты численных исследований представлены в виде эпюр нормальных напряжений, действующих на торце верхнего пояса, с разными толщинами штампов при заданных параметрах на рис.3.7. исленных исследований работы опорного узла с прямым резом торца верхнего пояса с принятой по СНиП [5] работой древесины по диаграмме рис.3.5б со штампами разной толщины позволяют сделать следующие основные выводы: 1. Опорные узлы со штампами толщиной 0.3, 1.0, 1.5 см не выдерживают расчетную нагрузку ( N = 3060кг ). 2. Существует тенденция увеличения площадей смятия с увеличением толщины штампа, аналогичная пункту 2.3. 3. Величина усилия в верхней части затяжки (элемент 1-155 на рис.3.1) зависит от толщины штампа, но ее максимальная величина не превышает теоретическую (по формуле 2.14). Таким образом, численные исследования работы торца верхнего пояса еще раз доказали эффективность вставки между шпренгелем и торцом верхнего пояса балки жесткого штампа [10]. 1.
Применение жесткого штампа для цели распределения нормальных сминающих напряжений действующих на торце верхнего пояса увеличивает прочность древесины торца смятию вдоль волокон. 2. Есть такая рациональная толщина штампа, с увеличением которой мало меняется величина площади смятия и напряженное состояние торца верхнего пояса. 3. Несущая способность опорного узла при упруго-пластичной работе древесины верхнего пояса намного выше, чем при упругой работе древесины. 4. Расхождения между результатами численных и теоретических исследований составляют не более 10 %. Новизна конструктивного решения опорных узлов металлодеревянных шпренгельных балок [10] потребовала также проведения экспериментальных исследований. Образцы для экспериментальных исследований были изготовлены автором в цеховых условиях кафедры "Металлических конструкций и испытания сооружений" Казанской государственной архитектурно-строительной академии. Натурные испытания опорных узлов металлодеревянных шпренгельных балок были проведены с целью подтверждения теоретических и численных исследований, выполненных во второй и третьей главах.
Экспериментальные исследования работы шпренгеля на месте изгиба
Для уточнения методики определения параметров шпренгеля были проведены экспериментальные исследования работы шпренгеля на месте изгиба. Для экспериментальных исследований применялась полосовая сталь марки ВстЗпсб-1 сечением 3x0.3 см. Образец экспериментальных исследований состоит из двух согнутых под 90 полос 1 (рис.4.5), прикрепленных при помощи штампов 2 и болтов 3. С одной стороны штампы были изготовлены с закруглением R=5 мм. Образец испытывался на растяжение при помощи испытательной машины УГ-20/2 со скоростью нагружения 100 Н/мин (рис.4.6). Для проведения экспериментальных исследований шпренгеля на месте изгиба были применены следующие типы штампов: - штампы, у которых радиус закругления равен нулю; - штампы, у которых радиус закругления равен 5 мм. Параметры образцов для экспериментальных исследований шпренгеля на месте изгиба представлены в табл.4.1. Необходимый радиус закругления был определен по формуле 2.7, который равен при расчетной нагрузке по пределу текучести примерно 5 мм. Результаты экспериментальных исследований работы шпренгеля на месте изгиба представляем в табличной форме.
Результаты экспериментальных исследований работы шпренгеля на месте изгиба позволяют сделать следующие основные выводы: 1. Несущая способность образцов с закругленными штампами больше, чем у образцов, у которых радиус закругления штампов равен нулю. Следовательно, штампы необходимо изготовлять с радиусами закругления. 2. Параметры полосы необходимо определить из условия ее работы на растяжение. представляет собой деревянный брус размером в сечении "bxh", который работает на внецентренное сжатие, нагруженный сжимающей силой "N" и изгибающим моментом "М = Nx. — "f где "А"- высота верхнего пояса. Сначала для экспериментальных исследований работы торца верхнего пояса была использована методика, образец которой представлен на рис.4.7. Для исследований в качестве древесины применялась сосна 1 сорта.
Штампы изготавливались из стали ВстЗпсб-1 по ТУ 14-1-3023-80. Для соединений штампов использовалась арматурная сталь класса А-Ш по ГОСТ 5781-82 диаметром 12 мм. Экспериментальные исследования были проведены с учетом рекомендаций [16], [17], [18], [26], [29], [30], [31], [42]. Тензометрирование выполнялось в соответствии с рекомендациями [19], [20], [21], [27].
Определение оптимальных параметров покрытия из металлодеревянных шпренгельных балок
Определение оптимальных параметров шпренгельных балок производим из условия минимума затрат на покрытие, которая складывается из следующих составляющих: стоимость балок, стоимость настила, стоимость кровли, стоимость связей, стоимость стеновых ограждений, эксплуатационные затраты на отопление и вентиляцию межбалочного пространства (рис.5.4). Варьируемыми параметрами балки являются: - высота балки; - соотношение длин панелей; После изучения всех составляющих можно сделать следующие допущения: 1. За стоимость балок, связей можно принять стоимость их материала, ввиду того, что при изменении параметров балки (высоты и длин панелей) стоимость изготовления и монтажа меняется несущественно. 2. Стоимость настила и кровли не зависит от параметров балки. Принимая во внимание вышеприведенные допущения, записываем стоимость покрытия: С = СБ + СС+СОГ+ПОВ, (5.6) где СБ,Сс,Сог,Пов стоимость балки, связей, ограждающих конструкций, приведенные затраты на отопление и вентиляцию межбалочного пространства. Стоимость шпренгельной балки представляем как сумму стоимостей образующих ее элементов: где Ув.п. У/с У/ш конструктивные коэффициенты верхнего пояса, стойки и шпренгеля; Авп , Ас, Аш -площади сечений верхнего пояса, стоек и шпренгеля; 1ВП,1С,1Ш- длины верхнего пояса, стоек и шпренгеля; Сд,См- стоимость единицы древесины и металла. В покрытии балки попарно соединяются крестовыми связями, которые располагаются в плоскости стоек. Площадь сечения связей можно определить из условия предельной гибкости. Тогда, при квадратном сечении связей, их стоимость определяется по формуле: где у/св - конструктивный коэффициент связей; 1СВ ,п - длина и количество связей. Стоимость стеновых ограждений определяем по формуле: С0Г=2хцг0ГхВхНхСС0, (5.9) где Уог" конструктивный коэффициент ограждений; Сс0- стоимость единицы стенового ограждения; В,Н - шаг и высота балок. Приведенные затраты на отопление и вентиляцию межбалочного пространства складываются из двух частей: отопление и вентиляция объема межбалочного пространства и возмещение теплопотерь через стеновые ограждения: -93 где \[/ов - конструктивный коэффициент отопления и вентиляции;
Сов- стоимость отопления и вентиляции единицы межбалочного пространства за год; Ст- стоимость возмещения теплопотерь через единицу площади стенового ограждения; к - коэффициент использования межбалочного пространства; т- срок службы здания. Подставив выражения (5.7), (5.8), (5.9), (5.10) в формулу (5.6) мы получаем функцию стоимости той части покрытия, которая зависит от параметров балки. Переходим к определению ограничений. 1. Одностоечные (рис. 1.14а), двухстоечные (рис. 1.146) и трехстоечные (рис.І.Ив) шпренгельные балки являются однажды, а четырехстоечные (рис.1.14г)- дважды статически неопределимыми. Статический расчет можно сделать методом сил. Тогда канонические уравнения метода сил для одностоечных, двухстоечных и трехстоечных шпренгельных балок имеет вид: 2. Верхний пояс пшренгельной балки работает как сжато-изогнутый элемент, сечение которого должна удовлетворять условия СНиП [5], формула (27): где Nр,Мр- продольная сила и момент в расчетном сечении верхнего пояса балки; Авп , WB п - площадь сечения и момент сопротивления верхнего пояса; - коэффициент, учитывающий влияние продольной силы на увеличение расчетного момента и рассчитывающийся по формуле (30) [5]; ЯС(иГ Расчетное сопротивление древесины сжатию и изгибу. 3. Шпренгель работает на растяжение, и его параметры должны удовлетворять условие СНиП [12], формула (5): f- Ry Yc, (5.14) Ан где Nfu - усилие в шпренгеле при симметричном загружении; Ан - площадь сечения нетто; Ry- расчетное сопротивление стали растяжению; ус- коэффициент условий работы. 4. Сечение стойки по конструктивным соображениям принимаем квадратным, сторона которого равна ширине верхнего пояса. При этом при реальных параметрах балки, как показывают практические расчеты, её прочность, как центрально сжатого элемента обеспечивается.
Считаем, что по верхнему поясу шпренгельных балок укладывается дощатый настил, который пришивается к верхнему поясу и обеспечивает его устойчивость из плоскости балки. 6. Согласно теоретическим, численным и экспериментальным исследованиям, прочность торца верхнего пояса вдоль волокон на смятие, при упруго-пластичной работе древесины, ограничивается системой (2.14). 7. Как показывают исследования деформативности металлодеревянных шпренгельных балок, их прогибы определяются по формуле (5.1). Они должны удовлетворять условие
