Введение к работе
Актуальность темы. Надежность и экономичность — необходимые качества проектируемых, возводимых и эксплуатируемых сооружений. Обеспечение этих качеств особенно важно при поиске новых конструктивных решений. Одной из главных задач в области строительства является дальнейшее повышение эффективности капиталовложений за счет удешевления ввода в строй объектов, снижения материалоемкости сооружений. Для реализации этой цели важная роль принадлежит строительной механике, в особенности методам проектирования элементов конструкций массового применения, таких как внецентренно сжатые колонны.
При проектирования сварных Н-образных колонн размеры поперечного сечения выбираются неоднократной перекомпоновкой с последующей проверкой каждого из вариантов требованиям СНиП. Однако рекомендации по выбору оптимального варианта практически отсутствуют, что усложняет проектирование и не дает гарантии высокой весовой и стоимостной эффективности колонны. Судить о качестве конструкции приходится по многим, как правило, противоречивым критериям. Наиболее полную картину поведения критериев качества исследуемой конструкции дают методы многокритериальной многопарамстрической оптимизации.
Бистальные колонны являются эффективными конструкциями, как по несущей способности, так и но экономическим показателям при сравнении с традиционными моностальными типовыми конструкциями, а именно: несушая способность сечения за счет упругопластической работы и выгодного сочетания сталей различной прочности значительно повышается.
Целью диссертационной работы является разработка метода проектирования бистальных внецентренно сжатых сварных колонн-стоек Н-образного поперечного сечения и совершенствование метода их многопараметрической многокритериальной оптимизации при пространственном деформировании.
При этом решались следующие задачи:
теоретическое исследование напряженно-деформированного состояния бистальных колонн-стоек с учетом работы материала полок и стенок за пределом упругости, остаточных напряжений от сварки и определение их предельной несущей способности;
разработка эффективных методик и алгоритмов и создание программно-вычислительного комплекса но многокритериальной оптимизации параметров поперечного сечения бистальной колонны с учетом геометрической и физической нелинейности и заданной несущей способности;
обоснование достоверности результатов исследования путем их сопоставления с экспериментальными исследованиями и методами оптимизации параметров Н-образных колонн различных авторов.
экспериментальные исследования параметрически оптимальных
моделей внецентренно сжатых бистальных колонн-стоек.
Рассмотрены конструкции с различными отношениями расчетных сопротивлений сталей стенки и полки, а также стойки из одной марки стали. Экономия стали, по сравнению с существующими решениями, составила до 25 % для бистальных и 35 % для моностальных колонн.
Научная новизна работы:
обоснована усовершенствованная методика прочностного расчета и создан эффективный алгоритм, требующий малых затрат машинного времени на вычисление предельных нагрузок бистальных сжатых с двухосным эксцентриситетом сварных Н-образных стоек с учетом остаточных напряжений от сварки;
создан алгоритм аппроксимации экспериментальных эпюр остаточных напряжений и изучено их влияние на величины предельных нагрузок бистальных стоек при внецентренном сжатии;
разработан вычислительный комплекс для проведения многокритериальной многоиараметрической оптимизации при нахождении рациональных размеров поперечного сечения Н-образных бистальных колонн. В такой постановке указанная задача ранее не рассматривалась;
решены новые прикладные задачи многокритериальной оптимизации стоек с учетом упругонластической стадии работы материала из условий наименьшей площади поперечного сечения и стоимости, более высокой прочности и жесткости конструкции колонны-стойки;
Достоверность научных положений и полученных результатов исследования обусловлена использованием обоснованных математических моделей и методов теории тонкостенных стержней открытого профиля; применением фундаментальных принципов и методов строительной механики; применением современных средств измерительной и вычислительной техники, а также сопоставлением результатов расчета с экспериментальными данными.
Практическое значение работы:
разработанные в диссертации методики и алгоритмы использованы при решении прикладных задач по расчету внецентренно сжатых сварных элементов строительных конструкций, работающих в упругопластнческои стадии в условиях пространственного деформирования;
создан программно-вычислительный комплекс, позволяющий наиболее достоверно судить о напряженно-деформированном состоянии конструкций, значительно сократить объем проектных разработок и дорогостоящих натурных испытаний при назначении геометрических параметров бистальных колонн, уменьшив одновременно их металлоемкость;
многочисленные графики и таблицы облегчают использование полученных результатов в инженерной практике.
Диссертационная работа выполнена в русле госбюджетной темы 46.94Ф Южно-Российского государственного технического университете (НПИ) «Экспериментально-теоретические методы оценивания напряженно-деформированного состояния и оптимизация параметров нелинейно деформируемых конструкций», входящей в межвузовскую научно-техническую программу Министерства общего и профессионального образования Российской Федерации по разделу «Строительство и Архитектура».
Результаты диссертации используются в учебном процессе при чтении цикла лекций студентам строительных специальностей ЮРГТУ (НПИ), а также при работе в НИРС и дипломном проектировании.
На защиту выносятся:
методика определения предельных нагрузок внецентренно сжатых
сварных бистальных двутавровых колонн с учетом геометрической и физи
ческой нелинейности, а также сварочных напряжений;
алгоритм и методика численной реализации на ЭВМ задачи
многокритериальной, многопараметрической оптимизации поперечных
сечений Н-образных сварных бистальных колонн;
результаты численного и экспериментального исследования при
кладных задач, рассматриваемых в диссертационной работе.
Апробация работы. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях «Строительство-97» 6-Ю апреля 1997 г. и «Строительство-98» 25-28 апреля 1998 г. — Ростов-на-Дону: РГСУ, 1997,1998 и на внутривузовских конференциях кафедр строительного профиля ЮРГТУ (НПИ) в 1996-2000 г.г.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 7 печатных работ.
Реализация результатов исследований. Инженерная методика расчета и многокритериальная многопараметрическая оптимизация размеров поперечных сечений бистальных колонн-стоек при пространственном деформировании приняты к внедрению институтом ОАО ПСП «СевКавНИ-ПИагроиром» г. Ростов-на-Дону.
Объем работы. Структурно диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованной литературы, содержащего 156 наименований. Общий объем работы — 175 страниц при наличии 50 таблиц и 42 иллюстраций.