Введение к работе
Актуальность работы:
Сетчатые купола широко применяются в строительстве за рубежом и являются одними из самых перспективных конструкций. В нашей стране сетчатые купола применяются еще в недостаточном объеме.
Достоинства куполов - хорошие массовые показатели, возможность перекрытия больших пролетов, архитектурная выразительность, но кроме достоинств купола обладают и недостатками - чувствительность к искажению формы купола, сложные формы потери устойчивости, высокие требования к качеству и точности изготовления деталей. К этому можно также добавить, что широкому их внедрению в практику строительства препятствуют такие проблемы, как необходимость индивидуального изготовления элементов покрытия, высокие требования к квалификации рабочих, сложность расчета.
В настоящее время стальные сетчатые купола изготавливаются из горячекатаных профилей. Одним из возможных путей сокращения массы купола является применение легких стальных тонкостенных профилей. Легкие стальные тонкостенные конструкции широко применяются за рубежом и имеют достаточно хорошие показатели за счет более эффективных типов сечений, которые в принципе не могут быть получены при прокате. В последнее время эти конструкции и в России применяют в возрастающем объеме. Однако их широкому внедрению препятствует недостаточная изученность работы тонкостенных профилей, а также недостаток эффективных конструктивных решений.
Таким образом, применение в сетчатом куполе тонкостенных холодногнутых металлических профилей, исследование напряженно-деформированного состояния элементов купола, совершенствование узловых соединений сетчатых куполов является актуальной задачей.
Целью настоящей работы является совершенствование узловых соединений сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей и исследование их напряженно-деформированного состояния. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать эффективное узловое соединение, позволяющее соединять стержневые элементы купола, выполненные из легких холодногнутых тонкостенных профилей;
разработать конечно-элементные расчетные модели узловых соединений и провести численное исследование их напряженно-деформированного состояния;
- провести физический эксперимент по исследованию реального
напряженно-деформированного состояния узловых соединений с креплением
стержней на болтах и самонарезающих винтах;
- разработать алгоритм поиска рациональной геометрической формы
купола и программу автоматизированного проектирования купола из легких
тонкостенных профилей;
- разработать рекомендации по расчету и конструированию сетчатых купольных покрытий из легких холодногнутых тонкостенных профилей. Научная новизна работы:
-
Разработаны новые узловые соединения сетчатого купола со стержнями из легких холодногнутых тонкостенных профилей.
-
Созданы конечно-элементные расчетные модели разработанного узлового соединения с различным расположением подкрепляющих элементов в узле, учитывающие физическую и геометрическую нелинейности. Определены особенности напряженно-деформированного состояния при различных соотношениях толщин тонкостенных элементов и их влияние на напряженно-деформированное состояние.
-
В ходе натурного эксперимента получены новые данные о несущей способности узловых соединений, их податливости, характере разрушения и влиянии типа использованного крепежа (болты и самосверлящие самонарезающие винты) на напряженно-деформированное состояние и несущую способность.
-
Разработана математическая модель, алгоритмы поиска и подсистема автоматизированного проектирования для ЭВМ, позволяющие создавать расчетные схемы сетчатых куполов с наиболее рациональными стрелой подъема и частотой сетки стержней каркаса купола.
Методы исследования:
В ходе работы применялись следующие методы:
1. Численное исследование напряженно-деформированного состояния
купола и его узловых соединений велось с применением
вычислительных комплексов (Femap 10.1.1 с решателем NX Nastran,
Лира 9.4), основанных на методе конечных элементов.
-
Экспериментальные исследования узловых соединений проводились методами тензометрии с использованием измерительной техники на базе ЭВМ.
-
Методы математической статистики были использованы при обработке данных, полученных при экспериментальных испытаниях.
Достоверность результатов:
Достоверность результатов, полученных в экспериментальных испытаниях
узловых соединений, обеспечена использованием научно-обоснованных
методик, применением современной измерительной техники на основе ЭВМ и
сертифицированного оборудования, исследованием фрагментов купола с
узловыми соединениями, выполненными в натурную величину,
использованием методов математической статистики при обработке данных,
сравнением с данными, полученными другими исследователями.
Достоверность численных исследований обеспечивается применением современных методов строительной механики, хорошей корреляцией с
данными экспериментальных испытаний и сравнением с результатами, полученными в других работах. Практическая ценность:
-
Разработанное узловое соединение позволяет применить в конструкции сетчатого купола стержневые элементы из легких холодногнутых тонкостенных профилей.
-
Разработанные расчетные модели позволяют определять напряженно-деформированное состояние узловых соединений при различных конфигурациях подкрепляющих элементов, неограниченной взаимной ориентации стыкуемых стержней в пространстве и любом сочетании нагрузок.
-
Разработанная подсистема автоматизированного проектирования позволяет значительно сократить трудозатраты на построение расчетной схемы сетчатого купола и определить наиболее выгодную стрелу подъема и частоту сетки стержней каркаса купола.
-
Разработаны рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.
На защиту выносятся:
-
Конструктивные решения новых узловых соединений для сетчатого купола из легких холодногнутых тонкостенных профилей. Новизна подтверждается двумя патентами РФ на изобретение.
-
Результаты конечно-элементного моделирования узлового соединения и методика его расчета.
-
Результаты экспериментальных исследований фрагментов сетчатого купола с выполненными в натурную величину узловыми соединениями на болтах и самосверлящих самонарезающих винтах и стержневыми элементами из тонкостенных холодногнутых профилей.
-
Критерий качества купольных конструкций, учитывающий стоимость материалов каркаса купола и его покрытия.
-
Подсистема автоматизированного проектирования, позволяющая в автоматическом режиме создавать расчетную схему сетчатого купола и оценить критерий качества конструкции.
-
Результаты поиска наиболее рациональной формы сетчатого купола по стреле подъема и частоте сетки стержней каркаса купола при реальных нагружениях.
Внедрение результатов работы:
-
Изданы рекомендации по проектированию сетчатых куполов из легких холодногнутых тонкостенных профилей.
-
Результаты исследования используются в учебном процессе Ульяновского государственного технического университета, что подтверждается актами о внедрении.
-
Разработан проект выставочного павильона, покрытого сетчатым куполом из тонкостенных профилей, диаметр павильона 10,1 ми начата его сборка.
Публикации и апробация работы:
-
По результатам работы получено два патента РФ на изобретение.
-
Основное содержание работы опубликовано в 8 публикациях в отечественных и зарубежных изданиях, в том числе 4 в изданиях, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией.
-
Результаты работы докладывались на 4 всероссийских и международных конференциях в городах Мариуполь, Самара, Ульяновск.
Объем и структура работы:
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы (111 наименований), включает 38 таблиц, 138 рисунков. Основное содержание диссертации изложено на 219 страницах машинописного текста.
