close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ СТАЛЬНЫХ КАРКАСОВ ОДНОЭТАЖНЫХ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ЛЕГКИХ ЗДАНИЙ.

код для вставкиСкачать
На правах рукописи
САЛАХУТДИНОВ МАРАТ АЙДАРОВИЧ
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОНСТРУКТИВНЫХ СХЕМ СТАЛЬНЫХ
КАРКАСОВ ОДНОЭТАЖНЫХ МНОГОПРОЛЕТНЫХ ЛЕГКИХ
ЗДАНИЙ
05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Казань – 2014
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном
образовательном учреждении высшего профессионального образования
«Казанский государственный архитектурно-строительный университет».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор
Кузнецов Иван Леонидович
Официальные оппоненты:
Молев Игорь Васильевич,
доктор технических наук, профессор,
ФГБОУ ВПО «Нижегородский государственный
архитектурно-строительный университет», профессор кафедры «Железобетонные, каменные и
деревянные конструкции»
Айрумян Эдуард Левонович,
кандидат технических наук, старший научный
сотрудник, ЗАО «ЦНИИПСК им. Мельникова»,
заведующий отделом легких стальных тонкостенных конструкций
Ведущая организация:
ФГБОУ ВПО «Поволжский государственный
технологический университет», г. Йошкар-Ола
Защита состоится «27» мая 2014 г. в 15:00 на заседании диссертационного
совета Д 212.077.01 на базе Казанского государственного архитектурностроительного университета по адресу: 420043, г. Казань, ул. Зеленая, 1,
ауд. 3-203 (зал заседаний Ученого совета).
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского
государственного архитектурно-строительного университета и на сайте
http://www.kgasu.ru/science/diss/ob2014/7030/.
Автореферат разослан «_» __________ 2014 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета
Абдрахманова Л.А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. В настоящее время ведется массовое строительство легких одноэтажных многопролетных гражданских зданий, используемых,
например, в качестве центров оптовой торговли, технополисов, торговоразвлекательных комплексов и др. Конструктивная схема этих зданий включает
вертикально установленные колонны, защемленные на фундаментах, подстропильные и стропильные фермы и профилированный настил с увеличенной высотой гофр, уложенный по однопролетной или многопролетной схеме с образованием жесткого диска по покрытию. Анализ опыта строительства рассматриваемых зданий показывает, что данная конструктивная схема заимствована из
широко распространенных унифицированных схем легких многопролетных
зданий промышленного назначения, например «Молодечно», «Лэндмарк» фирмы «Батлер» и др. Простой перенос этих решений без учета специфики гражданских зданий не позволил в полной мере обеспечить их эффективность, как
по расходу стали, так и по стоимости. К особенностям рассматриваемых одноэтажных многопролетных зданий можно отнести отсутствие нагрузок от грузоподъемных кранов, разнообразие объемно-планировочных решений по таким
параметрам как: шаг расстановки колонн в обоих направлениях, требования
установки связей, назначение высотных отметок и др. Учет этих требований, а
также использование достижений в области оптимального проектирования по
выбору параметров, таких как пролет, шаг конструкций, высота и габариты
здания позволяют разработать новые более эффективные по расходу стали и
стоимости конструктивные решения рассматриваемого класса зданий.
Цель работы – поиск, разработка и исследование рациональных конструктивных схем каркасов и оптимальных геометрических параметров легких одноэтажных многопролетных зданий гражданского назначения.
В соответствии с поставленной целью решались следующие задачи:
1. Выполнить анализ существующих конструктивных схем каркасов легких одноэтажных многопролетных зданий и предложить новые более эффективные конструктивные решения по расходу стали и стоимости.
2. Аналитически записать целевые функции массы и стоимости предложенных конструктивных решений каркасов одноэтажных многопролетных зданий в зависимости от их геометрических параметров.
3. Разработать алгоритм поиска оптимальных геометрических параметров,
таких как: угол наклона стоек рам, их высоты и шага расстановки в обоих
направлениях по критерию минимума массы и стоимости.
4. Предложить оптимальные варианты раскладки стального профилированного настила.
5. Экспериментально и численно исследовать дисковую жесткость профилированного настила, уложенного по консольным схемам.
Научная новизна работы:
1. Предложены новые конструктивные решения стальных каркасов многопролетных легких одноэтажных зданий, ориентированные на применение подкосно-балочных, рамных конструкций с наклонными стойками и консольной
3
раскладкой профилированного настила по покрытию, обеспечивающие снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа.
2. Предложены методика определения оптимальных геометрических параметров новых конструктивных решений стальных каркасов многопролетных
зданий, в том числе углов наклона стоек рам в двух плоскостях и методика
определения оптимального количества ячеек для заданного габарита здания по
критерию минимума массы и стоимости.
3. Предложены консольные способы раскладки и формулы для определения величины консольной части стального профилированного настила, эффективность которых подтверждена численными и экспериментальными исследованиями.
4. Экспериментально и численно исследована сдвиговая жесткость стального профилированного настила с высотой гофр 153 мм, уложенного по консольной схеме, и определена оптимальная величина его нахлеста по длине.
Практическая значимость работы:
1. Разработаны новые конструктивные решения стальных каркасов
многопролетных легких одноэтажных зданий, новизна которых подтверждена
полученными патентами на изобретение РФ.
2. Разработаны формулы и алгоритмы для определения оптимальных
геометрических параметров новых конструктивных решений стальных
каркасов многопролетных зданий для заданного габарита здания.
3. Предложены одно- и двухконсольные способы раскладки стального
профилированного настила с оптимальной величиной вылета консольных
участков.
4. Приведены табличные данные сдвиговой жесткости настила с высотой
гофр 153 мм, уложенного по консольным схемам, и коэффициенты, позволяющие учесть наличие зоны и величины нахлеста консольных участков.
Реализация работы. Результаты проведенных исследований применяются
проектными институтами ЗАО «Казанский Гипронииавиапром» и «Союзхимпромпроект» ФГБОУ ВПО «КНИТУ» при разработке реальных проектов зданий и сооружений, а также использованы ООО «Зодчество» при проектировании «Проект завода «Кремнегран» в районе ж/д станции «Аракчино» г. Казань»
по х/д № 10/09-11.
Достоверность данных, полученных в ходе экспериментальных исследований, обеспечена использованием научно обоснованных методик испытаний,
тарированных измерительных приборов и сертифицированного оборудования, а
также хорошей сходимостью с результатами расчетов конечно-элементных моделей на ПК «ANSYS» и ПК «ЛИРА».
Апробация работы. Основные результаты исследований докладывались
на 63-й, 64-й и 65-й всероссийских научных конференциях КазГАСУ (Казань,
2011-2013), международной научно-практической конференции «Проблемы современного строительства» (Пенза, 2011), международной молодежной научной конференции по естественнонаучным и техническим дисциплинам
«Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2011-2012), международной научной конференции «Актуальные вопросы современной техники
4
и технологии» (Липецк, 2011-2012), международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов»
(Йошкар-Ола, 2013).
Работа награждена грантом конкурса «Пятьдесят лучших инновационных
идей для Республики Татарстан» в номинации «Молодежный инновационный
проект» (2011), отмечена дипломом за активное участие в республиканском
конкурсе научных работ студентов и аспирантов на соискание премии им. Н.И.
Лобачевского в секции «Архитектура и строительство» (2012).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 работ, в том числе 3
научные статьи в рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 2 патента на изобретение РФ и 1 патент на полезную модель.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав,
общих выводов, списка литературы из 158 наименований и приложений. Работа
изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 20 таблиц, 95 рисунков.
На защиту выносятся:
1. Новые конструктивные решения стальных каркасов многопролетных
легких одноэтажных зданий, обеспечивающие снижение металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа.
2. Методика определения оптимальных геометрических параметров новых
конструктивных решений стальных каркасов многопролетных зданий, в том
числе углов наклона стоек рам в двух плоскостях и методика определения оптимального количества ячеек для заданного габарита здания по критериям минимума массы и стоимости.
3. Консольные способы раскладки и определение оптимальной величины
консольной части стального профилированного настила.
4. Экспериментальные и численные исследования величины сдвиговой
жесткости стального профилированного настила с высотой гофра 153 мм, уложенного по консольной схеме и определение оптимальной величины его нахлеста по длине.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна работы и ее практическая значимость.
В первой главе представлено развитие существующих конструктивных
решений стальных каркасов одноэтажных многопролетных легких зданий. Рассмотрено применение методов оптимального проектирования для выбора рациональных конструктивных форм стальных каркасов многопролетных зданий.
Приведен анализ существующих подходов к определению пространственной
жесткости стальных каркасов одноэтажных многопролетных зданий.
Существенный вклад в становление и развитие металлических конструкций гражданских и промышленных зданий в конце XIX века внесли Ясинский
Ф.С., Шухов В.Г., Прокофьев И.П. и др. Мощное развитие промышленности
было импульсом для строительства многопролетных зданий, стальной каркас
5
которых состоял из решетчатых колонн и легких стропильных ферм. На развитие конструктивных решений оказывали такие факторы, как экономия стали,
снижение трудоемкости изготовления и монтажа, условия эксплуатации и долговечность конструкций. Внедрение в строительстве сварных конструкций,
приведение разнотипных конструкций к единой модульной становятся следующим этапом совершенствования конструктивных решений. В более поздний
период над развитием конструктивных форм цехов тяжелой промышленности
работают такие ученые как З.И. Брауде, А.И. Бежевец, Г.Б. Гордон, А.И. Петраков, В.В. Кузнецов, В.Г. Павлов. Со второй половины ХХ века в конструкции
покрытий одноэтажных производственных зданий происходит постепенное
внедрение железобетонных крупноразмерных плит, исключающих прогоны в
покрытии. Освоение выпуска стального профилированного настила стало
настоящим прорывом того времени.
В настоящее время приоритетным направлением строительства зданий
гражданского назначения является применение легких металлических конструкций (ЛМК) комплектной поставки. К наиболее известным типам ЛМК
комплектной поставки относятся «Молодечно», «Орск», «Канск», «Москва»,
среди зарубежных аналогов – «Трасскон» и системы фирмы «Lindab».
Современная тенденция строительства крупных центров оптовой торговли,
технополисов, торгово-развлекательных центров диктует определенные требования, обусловленные спецификой эксплуатации рассматриваемых зданий, а
именно: значительной их протяженностью в обоих направлениях, большим шагом расстановки колонн, минимальным числом связей, обеспечивающих свободу планировки, отсутствием крановых нагрузок. В связи с этим каркас многопролетного здания включает колонны, защемленные в обоих направлениях на
фундаментах, стропильные и подстропильные фермы и профилированный
стальной настил, уложенный по верхним поясам стропильных ферм с образованием жесткого диска по покрытию. Наглядными примерами подобных сооружений являются многопролетные здания, построенные, в том числе в г. Казани.
К общим недостаткам указанных решений стоит отнести завышенные расход стали на каркас, высокую трудоемкость изготовления и монтажа конструкций.
Первыми исследованиями по установлению законов массы металлических
конструкций занимались Е.О. Патон, Н.А. Белелюбский, Н.Б. Богуславский,
Н.П. Пузыревский. В дальнейшем оптимальным проектированием занимались
Н.С. Стрелецкий, В.А. Балдин, А.Р. Ржаницын, Ю.А. Радциг, Е.И. Вареник,
Я.М. Лихтарников. Вопросами оптимизации стальных конструкций занимались М.В. Бакиев, Р.К. Сафин, И.Л. Кузнецов, И.С. Холопов и др. Решение задачи оптимального проектирования металлических конструкций сводится к
минимизации ряда критериев при наличии ряда ограничений. Качество решения характеризуется целевой функцией, зависящей от некоторых параметров,
при этом, оптимальной называют такую систему в допустимой области, в которой функция принимает экстремальное значение.
Исследования в области пространственной жесткости стальных каркасов
многопролетных зданий были начаты А.Н. Гениевым, далее продолжены Е.И.
6
Беленей, Г.И. Бердичевским, С.Н. Геликовым, Ю.М. Дукарским, позднее Е.Р.
Брайне, В. Байтисом, Э.Л. Айрумяном. Вначале в качестве диска жесткости
рассматривались лишь горизонтальные связевые фермы и железобетонные плиты покрытия. Однако дальнейшие исследования показали, что стальные профилированные настилы также обладают достаточной жесткостью для восприятия
горизонтальных нагрузок и могут участвовать в пространственной работе каркаса. Большие результаты в области исследования сдвиговой жесткости профилированных настилов достигнуты институтом профилированного настила SDI,
исследования которых основаны на большом количестве экспериментов и формулы для определения прочности и деформативности диафрагмы жесткости
носят эмпирический характер. С учетом вышеизложенного были сформулированы цель и задачи исследования.
Вторая глава посвящена разработке новых конструктивных решений
стальных каркасов многопролетных одноэтажных зданий. Предложена консольная раскладка профилированного настила в покрытии многопролетных
зданий. Исследована устойчивость рамы с наклонными стойками.
Перед разработкой новых конструктивных решений необходимо выбрать
направление в поиске более эффективных схем. Для этого решена задача структурного синтеза оптимальной балочной конструкции по критерию минимума
массы методом последовательного приближения с использованием ПК
«ANSYS». В результате чего исходная балка, загруженная по аналогии работы
подстропильной фермы, трансформировалась в подкосно-балочную систему.
На основании полученных результатов на рис. 1-4 предложены конструктивные схемы каркасов многопролетного здания, общим для которых является
замена подстропильных и части стропильных ферм на подкосно-балочные и
рамные конструкции.
Рис. 1. Конструктивное решение каркаса с
заменой
подстропильной
фермы
на
подкосно-балочную конструкцию: 1 –
подстропильная балка; 2 – подкос
подстропильной части; 3 – колонна; 4 –
стропильная ферма; 5 – стальной
профилированный настил; 6 – фундаменты.
Рис. 2. Конструктивное решение каркаса с
заменой подстропильных ферм и части
стропильных ферм, расположенных по оси
колонн, на подкосно-балочную конструкцию: 1
– подстропильная балка; 2 – подкос
подстропильной части; 3 – колонна; 4 –
подкос стропильной части; 5 – стропильная
балка; 6 – стропильная ферма; 7 – стальной
профилированный настил; 8 – фундаменты.
7
Рис. 3. Конструктивное решение каркаса с
заменой подстропильной фермы на рамную
конструкцию с наклонными стойками: 1 –
наклонная стойка; 2 – ригель; 3 –
стропильная ферма, 4 – стальной
профилированный настил; 5 – фундаменты.
Рис. 4. Конструктивное решение каркаса с
заменой подстропильной фермы на рамную
конструкцию, стропильной фермы на балку: 1
– наклонная стойка; 2 – ригель; 3 –
стропильная
балка;
4
–
стальной
профилированный настил; 5 – фундаменты.
Предложенные конструктивные решения одноэтажных многопролетных
зданий предусматривают использование в качестве основных несущих
элементов стальные рамы с наклонными стойками. В существующих нормах
для расчета устойчивости сжатых элементов даны значения коэффициентов
приведения расчетной длины стоек только для рам с вертикальными стойками,
не рассматривая при этом установку стоек рам под углом. В исследовании
рассмотрена схема рамы с наклонными стойками с жестким защемлением на
опоре и в узлах соединения ригеля со стойкой. Анализ рассмотренной
расчетной схемы заключался в численном и аналитическом решении задачи
устойчивости. Решением задачи устойчивости является нахождение
коэффициента μ – коэффициента расчетной длины элемента. Численное
решение выполнено на ПК «ЛИРА» и ПК «ANSYS». В ПК «ЛИРА» был
получен коэффициент запаса по устойчивости Lv, по которому определялось
значение коэффициента μ по формуле:
(1)
где l – длина конечного элемента, L – общая длина элемента.
В ходе аналитического решения проводился поиск параметра vкр,
соответствующего критической нагрузке потери устойчивости. Зная величину
vкр можно определить коэффициент расчетной длины элемента по формуле:
(2)
Анализ устойчивости рамной конструкции в ПК «ANSYS» в среде
DesignXplorer выполнялся с ее оптимизацией по критерию минимума массы
(geometry mass) и максимуму коэффициента запаса по устойчивости (total
deformation load multiplier) в зависимости от угла наклона стоек рам, который
задается как переменный параметр в пределах 46-89˚. В результате анализа
выявлено, что оптимальный угол наклона по критерию минимума массы для
заданной высоты равен 69˚, а по критерию коэффициента запаса по
8
устойчивости угол наклона стремится к начальному значению заданного
интервала, однако, ограничением при выборе интервала углов наклона служит
условие, при котором длина ригеля рамы не должна обращаться в ноль.
Проведенный численно-аналитический анализ устойчивости наклонных
стоек рамы показал, что угол наклона стойки влияет на коэффициент
приведения расчетный длины, а оптимальное значение угла наклона по
критерию минимума массы конструкции находится в пределах 65º-75º.
Коэффициент приведения расчетный длины стойки рамы также зависит от
соотношения жесткостей ригеля и стойки, при этом увеличение жесткости
ригеля приводит к снижению коэффициента μ. В работе приведены табличные
значения μ=f(EJ2/EJ1) для углов от 56º до 80º, где EJ1 – жесткость стойки, EJ2 –
жесткость ригеля.
Также общим для предложенных конструктивных решений является наличие стального профилированного настила в покрытии, расход стали на который
в покрытиях многопролетных зданий достигает 20% от общего расхода стали
на каркас. Следовательно, важным является вопрос снижения металлоемкости
не только на несущие конструкции стального каркаса, но и на профилированный настил. В связи с этим предложены одно- и двухконсольные схемы раскладки профилированного настила. С учетом того, что профилированный
настил не симметричен по высоте, предложена формула расчета оптимальной
величины консольного участка для двухконсольной раскладки:
√
(3)
где:
(
) l – шаг несущих конструкций, W1 – расчетный момент сопротивления при сжатых узких полках настила; W2 – тоже при сжатых широких
полках.
Предложена формула расчета оптимальной величины консольного участка
для одноконсольной раскладки:
(4)
Таким образом, консольные раскладки настила с оптимальной величиной
консольного участка обеспечивают как экономию стали до 32%, так и
равномерное нагружение нижележащих конструкций в сравнении с
многопролетными неразрезными схемами раскладки.
Третья глава посвящена оптимизации геометрических параметров
конструктивных схем стальных каркасов многопролетных одноэтажных зданий
по критерию минимума массы.
Выражение массы конструкций каркаса в общем виде в зависимости от
конструктивной схемы имеет вид:
,
(5)
где
– конструктивный коэффициент; L, В, H, α – геометрические
параметры (пролет, шаг и высота конструкций, угол наклона стоек и т.д.); q –
нагрузка на покрытие; Ry – расчетное сопротивление стали.
В виду того анализ конструктивных решений на рис. 2-3 выявил некоторые
9
их недостатки, связанные с увеличением изгибающего момента от
несимметричного нагружения в узле примыкания подкоса, наиболее
интересными с позиции оптимизации являются конструктивные решения,
приведенные на рис. 5-6.
Рис.5. Типовая ячейка многопролетного
здания с плоской рамой.
Рис. 6. Типовая ячейка многопролетного
здания с пространственной рамой.
Для типовой ячейки многопролетного здания с габаритами L и B по рис. 5
варьируемыми геометрическими параметрами принимались пролет, шаг и
высота конструкций. Велся поиск угла наклона стойки рамы, при котором
обеспечивается минимум массы и стоимости конструкций каркаса. Масса
типовой ячейки может быть записана как сумма масс отдельных элементов, а
именно стоек рам, ригелей, настила и стропильных ферм, т.е.:
4
2 р
(6)
н 2 ф
где Gс – масса одной стойки рамы; Gр – масса ригеля; Gн – масса
профилированного настила; Gф – масса стропильной фермы.
Масса стойки рамы может быть записана в виде:
2
(7)
(
(
) )
α
α
с
где с – конструктивный коэффициент стойки рамы; – плотность стали; α
– угол наклона стойки; Ry – расчетное сопротивление стали; c – коэффициент
условия работы; Н – высота верха стойки рамы; Nс – усилие в стойке рамы; Kс –
коэффициент, равный:
[т см2 ]
1, 1 5 μ2с
(8)
с
с
с
где μс – коэффициент приведения расчетной длины стойки; ncс = imin2/A –
коэффициент формы сечения, зависящий от типа сечения профиля; imin –
минимальный радиус инерции; А – площадь сечения.
Масса ригеля, воспринимающего сжимающие усилия, может быть
записана в виде:
2
2
2
р
(9)
(
)(
) )
р
р (
р
α
α
с
Здесь р – конструктивный коэффициент; α – угол наклона стойки рамы; Н
– высота верха стойки рамы; Nр – усилие в ригеле; Kр – коэффициент, равный:
10
1, 1
5
μ2р
[т см2 ]
р
р
(10)
где μр – коэффициент приведения расчетной длины ригеля рамы.
Масса стального профилированного настила может быть записана в виде:
н
(11)
н
с
где
н – конструктивный коэффициент настила; М – расчетный
изгибающий момент; = W/A – ядровое расстояние для профилированного
настила; W – момент сопротивления сечения; А – площадь сечения.
Для ферм, например серии «Молодечно», можно найти аналитическое
выражение их массы:
(12)
2
где kф – коэффициент, равный 0,0215, 0,03489, 0,05025 для ферм 18 м, 24 м
и 30 м, соответственно; q – нагрузка на 1м2 покрытия; В – пролет ферм; L –
расстояние между опорами стоек рамы.
Значение усилий в элементах рассматриваемого каркаса равно:
- усилие в стойке рамы:
2 ф
(13)
с
2
α
- изгибающий момент в профилированном настиле:
2
(14)
н
где k – коэффициент, зависящий от схемы опирания профилированного
настила; – пролет профилированного настила.
- усилие в ригеле:
2 ф
(15)
р
2
α
Стоимость «в деле» стального каркаса на рис. 5 складывается из суммы
стоимостей материала, изготовления, транспортирования и монтажа:
4
2
2
(16)
н
р
ф
где Сс, Ср, Сн, Сф, Сфунд – удельная стоимость стоек рамы, ригелей,
профилированного настила, стропильной фермы и фундамента соответственно;
Vфунд – объем фундаментов, который равен:
ф
ф
(17)
где ωфунд – коэффициент полноты фундамента; Nс – усилие в стойке рамы;
Rгр – расчетное сопротивление грунта; hфунд – высота фундамента.
Масса типовой ячейки многопролетного здания, приведенного на рис. 6,
может быть записана как:
4
2 р
(18)
н 2 б
где Gс – масса одной стойки рамы; Gр – масса ригеля; Gн – масса
профилированного настила; Gб – масса стропильной балки.
Масса стойки рамы равна:
11
с
(
с
2
с
с
(
))
(19)
с
Масса ригеля, воспринимающего сжимающие усилия, равна:
2
2
2
р
(
)(
) )
р
р (
р
α
α
с
Масса стального настила:
н
(21)
н
Масса балок может быть записана как:
б
(20)
с
б
б
(22)
с
где б – конструктивный коэффициент балки; Мб – расчетный изгибающий
момент, определяемый как для шарнирно опертой балки; = Wб/A – ядровое
расстояние для сечения балки; Wб – момент сопротивления сечения; А –
площадь сечения.
Стоимость «в деле» стального каркаса на рис. 6 складывается из суммы
стоимостей материала, изготовления, транспортирования и монтажа:
4
2
2
(23)
н
б
р
где Сс, Ср, Сн, Сб, Сфунд – удельная стоимость стоек рамы, ригелей,
профилированного настила, балок и фундамента соответственно.
Значение усилий в элементах предлагаемого каркаса равно:
- усилие в стойке рамы:
2
(24)
с
4
- изгибающий момент в профилированном настиле:
2
(25)
н
н
где k – коэффициент, зависящий от схемы опирания профилированного
настила; – пролет профилированного настила.
- усилие в ригеле:
2 б
(26)
р
4
α
Получить аналитические выражения экстремумов функций (6) и (18) от
углов α и β после подстановки всех слагаемых не представляется возможным.
Одним из путей решения в таком случае является применение численного
метода исследования, например при помощи ПК «EXCEL». Для этого в ПК
«EXCEL» на языке программирования Visual Basic были разработаны
алгоритмы поиска оптимальных углов наклона стоек рамы и подбора
оптимального количества ячеек, вписанных в заданный габарит здания с
обеспечением минимума массы и стоимости каркаса всего здания. Данные
алгоритмы составлены для различных схем раскладки профилированного
настила, а именно для однопролетной, двух-, трех- и консольной раскладки
настила. Определение оптимальных углов наклона стоек рамы осуществляется
методом перебора.
12
Как показали расчеты, реализация конструктивных решений с
оптимальным углом наклона стойки рамы позволяет снизить расход стали на
каркас здания до 10-15%, стоимость – до 8-11%. Уставлено влияние углов
наклона стойки рамы α и β на массу каркаса здания: увеличение угла β до 90º
относительно горизонтали приводит к увеличению массы ячейки, а
оптимальное значение угла α лежит в интервале 65-75º в зависимости от
коэффициента формы сечения элементов nc.
Четвертая глава посвящена численному исследованию пространственной
работы нового конструктивного решения каркаса многопролетного здания,
экспериментальным исследованиям и компьютерному моделированию
дисковой жесткости фрагмента покрытия из листов профилированного настила
с повышенной высотой гофр, уложенных по консольной схеме.
Исследование пространственной работы каркаса проводилось двумя
путями, а именно с использованием аналитического решения Э.Л. Айрумяна,
основанного на методе конечных разностей, и численного решения на ПК
«ЛИРА». Параметром, по которому оценивается пространственная работа
каркаса здания, принималось максимальное перемещение ригеля поперечной
рамы вдоль прикладываемого усилия. На основании численного решения с
использованием аналитических выражений установлена зависимость
коэффициента βm, характеризующего отношение общего перемещения к
перемещению плоской рамы (роль диска жесткости в общих перемещениях) от
количества пролетов и соотношения сдвиговой жесткости участка настила к
жесткости поперечных рам C/К, а именно роль диска жесткости тем меньше,
чем больше количество пролетов и больше жесткость самого каркаса.
В ходе численного анализа в ПК «ЛИРА» расчетная схема представляет
собой систему, в которой присутствуют стержневые и пластинчатые элементы.
Стержневыми элементами моделировался каркас, состоящий из жестко
защемленных в основании наклонных стоек и ригелей с жесткими узлами
сопряжения со стойками. Пластинчатыми элементами моделировалась
диафрагма, шарнирно опирающаяся на ригеля. Коэффициент βm для средней
рамы в данном случае определялся по формуле:
i
(27)
m  i ,
 своб
где ∆i – перемещение рамы с учетом диска жесткости по покрытию; ∆iсвоб –
перемещение свободной рамы без диска жесткости по покрытию.
Жесткость плоской рамы определялась из следующего соотношения:
Р
(28)
К i
,
 своб
где P – эквивалентная горизонтальная сила, приложенная на уровне ригеля
рамы.
Результаты исследований расчетных схем на ПК «ЛИРА» с варьируемыми
параметрами С/К и количеством пролетов с учетом формул (27) и (28)
приведены на рис. 8-9.
13
1
1
0.9
C/K=3
C/K=3
C/K=4
0.8
C/K=4
0.75
C/K=5
0.7
C/K=6
C/K=5
0.6
C/K=6
0.5
C/K=2
0.85
βm
0.7
C/K=1
0.9
C/K=2
0.8
βm
0.95
C/K=1
C/K=7
C/K=7
0.65
C/K=8
0.4
C/K=9
0.3
5
10
C/K=8
0.6
C/K=9
0.55
C/K=10
5
Количество пролетов
10
C/K=10
Количество пролетов
Рис. 9. График зависимости коэффициента
βm от соотношения С/К для схемы с
приложением нагрузки вдоль рамы.
Рис.8. График зависимости коэффициента
βm от соотношения С/К для схемы с
приложением нагрузки поперек рамы.
Данные графики показывают, что с увеличением количества рам, т.е. с
увеличением протяженности диафрагмы роль диска уменьшается. Также
интересным является тот факт, что при 13-ти пролетах соотношение С/К уже не
влияет на коэффициент βm, т.е. жесткости самого каркаса в этом случае
является определяющей. Такой эффект объясняется конструктивными
особенностями разработанных схем каркасов многопролетных зданий.
Одним из важных вопросов является снижение расхода стали на систему
связей каркаса здания. Предлагаемые конструктивные решения каркасов
многопролетного здания позволяют частично или полностью отказываться от
применения горизонтальных и вертикальных связей. Для обоснования таких
предположений проведены численные исследования пространственной работы
каркасов с учетом и без учета связевых элементов. Проведенные численные
исследования показали, что деформированная схема каркаса здания с учетом и
без учета системы связей значительно отличается. В случае включения в
расчетную схему связей деформированная схема каркаса здания аналогична
работе балки на упругоподатливых опорах, в случае отсутствия связей все рамы
каркаса перемещаются одинаково. Наличие диска жесткости в покрытии не
влияет на характер деформированной схемы, но влияет на величину
горизонтальных перемещений. Таким образом, установлено, что разработанные
конструктивные решения являются самодостаточными при наличии диска
жесткости по покрытию и отсутствии системы связей, а наличие системы
связей дополнительно позволяет снижать деформативность каркаса до 25%.
В целях снижения расхода стали на конструкции покрытия в главе 2 была
предложена консольная укладка стального профилированного настила. Однако
для такого вида раскладки настила отсутствует информация о его сдвиговой
жесткости. Для изучения этого вопроса были проведены экспериментальные
исследования.
14
а)
б)
Рис. 10. Схема испытательной установки и процесс испытаний:
а) настил в процессе испытаний; б) схема испытательной установки, где 1 – металлическая
рама из четырех швеллеров; 2 – шарниры; 3 – жесткое крепление к силовому полу; 4 – упор;
5 – гидравлический цилиндр; 6 – насосная станция; 7 – катковые опоры; 8 – прогибомер
дистанционного типа; – индикатор часового типа; 1 – профилированный настил.
Испытательная установка представляла собой стальную раму 1, собранную
из четырех швеллеров № 12 (рис. 10). В узлах соединения швеллеров между
собой установлены шарниры 2. Один швеллер жестко прикреплен к силовому
полу, а параллельный ему швеллер установлен на катковые опоры 7. К
швеллеру, установленному на катковые опоры 7, подсоединен гидроцилиндр 5.
Для
исключения
горизонтальных
перемещений
гидроцилиндра
5
дополнительно установлен упор 4, жестко прикрепленный к силовому полу.
Гидроцилиндр 5 подключен к насосной станции 6, которая снабжена
манометром с ценой деления 0,4кН. На стальную раму укладывался стальной
профилированный настил марки Н153-840-1.5 и закреплялся по периметру
самосверлящими винтами 6,3х25мм, а между собой комбинированными
заклепками диаметром 5мм, установленными с шагом 300мм. На выступающей
части нижней полки профилированного настила по направлению действия
гидроцилиндра устанавливался прогибомер дистанционного типа с ценой
деления 0,1мм. Для определения величины раскрытия соединения листов
настила в зоне нахлеста на верхние полки профилированного настила
устанавливались индикаторы часового типа с ценой деления 0,01 мм. При
приложении нагрузки к собранному фрагменту покрытия размером 2,5х3м
регистрировалась величина прикладываемого сосредоточенного усилия,
перемещение блока в месте приложения нагрузки и величина поперечных
деформаций соединения листов настила в зоне нахлеста. Нагружение
выполнялось ступенями с шагом в 4кН и выдержкой по 15-20 мин. Испытания
проводились в несколько этапов при различной раскладке настила. Вначале
был испытан блок размерами 2,5х3 м с листами без нахлеста, затем
испытывались варианты с нахлестами 200, 300, 400 мм в середине блока.
Результаты эксперимента приведены на рис. 11-12.
15
30
Сплошной
лист
35
Сдвигающая сила Р, кН
Сдвигающая сила Р, кН
40
30
40 см*
25
20
15
30 см*
10
5
20 см*
25
40 см*
20
15
30 см*
10
5
20 см*
0
0
0
0
10
Горизонтальное перемещение рамы, мм
0.005
Угол поворота, tan α
Рис. 11. Графики зависимости горизонтальных перемещений рамы от сдвигающей силы:
* – размеры нахлеста листа в середине блока
Рис. 12. График зависимости угла поворота
листов настила в зоне нахлеста от
сдвигающей силы: * – размеры нахлеста
листа в середине блока
Экспериментальные данные показали, что наиболее рациональной
величиной нахлеста является величина 250-350мм, что составляет 1.63-2.3h, где
h – высота гофра профилированного настила.
Для практического применения необходимо отработать конечноэлементную модель в ПК«ANSYS» для определения НДС диска жесткости при
различной
величине
нахлеста
консольных
участков.
Для
этого
профилированный настил марки Н153-840-1.5 и опорная конструкция из
прокатного швеллера №12, крепление стального настила к опорной раме и
между собой в зоне нахлеста (саморезы Ø6.3мм) смоделированы объемноконечными элементами. Контакт поверхностей настила с рамой и между собой
смоделирован по типу «frictional» с коэффициентом трения в интервале от 0.3
до 0. Податливость саморезов смоделирована контактом типа «bonded» с
коэффициентом податливости в интервале от 1 до 0. Были вычислены общие
перемещения рамы и эквивалентные напряжения. Расчеты проведены для
участка сплошного настила и участка настила с величиной нахлеста 200 мм,
300 мм, 400 мм. Деформированная схема настила приведена на рис. 13-14.
Рис. 13. Деформированная схема участка
настила (вид сверху).
Рис. 14. Деформированная схема участка
настила (вид сбоку).
16
Результаты компьютерного моделирования показали, что разработанная
конечно-элементная с достаточной точностью отражает действительную работу
стального настила, уложенного по одноконсольной схеме. Установлено, что
перемещения диска жесткости с уменьшением величины нахлеста
увеличиваются до 15-20%, при этом, для нахлеста 2h прикладываемая нагрузка
меньше лишь на 10% от величины 2.6h, а перемещения больше на 5%, что на
20% меньше по сравнению с нахлестом 1.3h.
Также в ПК «ANSYS» исследована сдвиговая жесткость настила,
имеющего две зоны нахлеста на заданном участке и установлено, что его
сдвиговая жесткость меньше на 40% по сравнению со сплошным участком
настила.
В пятой главе приводится технико-экономическая оценка разработанных
конструктивных схем стальных каркасов многопролетных одноэтажных зданий
с позиций металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа.
Для выполнения технико-экономической оценки предложенных во 2-й
главе конструктивных решений выполнен их сравнительный анализ с
существующим решением, например схемой «Молодечно». Сравнительный
анализ проводился калькуляционным методом по критериям расхода стали на
каркас здания, трудоемкости изготовления и монтажа конструкций. Результаты
оценки с позиции металлоемкости показали, что применение новых
конструктивных решений позволило снизить металлоемкость каркаса до 15%.
Технико-экономический анализ по критерию трудоемкости, стоимости
изготовления и монтажа выполнялся согласно единым нормам и расценкам на
строительные и ремонтно-строительные работы (ЕНиР) по основным видам
работ: резка, сборка, сварка и монтаж отдельных элементов конструкций.
Результаты анализа приведены на рис. 15-16, где 1 – схема с заменой
подстропильной фермы на подкосно-балочную конструкцию; 2 – схема с
заменой подстропильных ферм и части стропильных ферм, расположенных по
оси колонн, на подкосно-балочную конструкцию; 3 – схема с заменой
подстропильной фермы на рамную конструкцию; 4 – схема с заменой
подстропильной фермы на рамную конструкцию, стропильной фермы на балку;
5 – схема по серии 1.460.3-14 «Молодечно».
80
60.84
60
58.36
55.44
2
3
Стоимсть на изготовление,
тыс. руб.
Трудоемкость на
изготовление, ч-час
70
67.69
51.83
50
40
30
20
10
0
1
4
Виды конструктивных схем стальных
каркасов
5
100.0
90.0
80.0
70.0
60.0
50.0
40.0
30.0
20.0
10.0
0.0
91.8
89.4
85.3
95.5
83.1
1
2
3
4
5
Виды конструктивных схем стальных
каркасов
Рис. 15. Трудоёмкость изготовления в Рис. 16. Стоимость изготовления в
зависимости от типа конструктивной схемы. зависимости от типа конструктивной
схемы.
17
Таким образом, реализация предложенных конструктивных решений
позволяет снизить трудоемкость, стоимость изготовления и монтажа до 2340%, 10-15% соответственно.
Приложение содержит таблицы для определения коэффициентов βm от соотношения С/К, текстовый файл разработанного алгоритма определения габаритов и количества ячеек, соответствующих минимальной массе и стоимости
каркаса здания, а также акты о внедрении результатов исследований.
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Разработаны новые конструктивные решения стальных каркасов
многопролетных легких одноэтажных зданий, ориентированные на
использование подкосно-балочных и рамных систем с наклонными стойками,
обеспечивающие снижение их массы и стоимости.
2. Составлены аналитические выражения массы и стоимости
разработанных каркасов в зависимости от варьируемых параметров, таких как
угол наклона и высота стоек, шаг их расстановки в обоих направлениях и схем
раскладки профилированного настила, позволяющие на стадии вариантного
проектирования выбирать оптимальные значения геометрических параметров
разработанных каркасов.
3. Разработаны алгоритмы нахождения оптимальных геометрических
параметров разработанных каркасов, реализованные в ПК «EXCEL».
4. Установлено, что оптимальное значение габаритов ячеек по критерию
минимума массы и стоимости находятся в пределах lopt/bopt = (0.07-0.2)L/(0.060.17)B, где L и B – внешние габариты здания.
5. Для рам с наклонными стойками определен оптимальный угол наклона
из условия устойчивости, который находится в пределах 65º-75º по критерию
минимума массы конструкции и в зависимости от жесткостей стойки и ригеля
рамы.
6. Исследована рациональность раскладки профилированного настила,
уложенного по консольным схемам, и получены аналитические формулы
определения оптимального вылета консоли.
7. Численно и экспериментально исследована дисковая жесткость
профилированного настила с высотой гофра 153 мм при консольной схеме его
раскладки, при этом рациональная величина нахлеста составляет 1.63-2.3h, где
h – высота гофра профилированного настила.
8.
Проведен
технико-экономический
анализ
разработанных
конструктивных схем стальных каркасов многопролетных одноэтажных зданий
и показано, что применение новых конструктивных решений позволяет
снижать металлоемкость каркаса до 15%, трудоемкость изготовления и
монтажа до 23 и 40% соответственно, стоимость изготовления и монтажа до
13% и 18% соответственно.
18
Основное содержание диссертации опубликовано
в следующих работах:
1. Салахутдинов, М.А. Стальной каркас многопролетного здания / М. А. Салахутдинов, И. Л. Кузнецов // Сборник статей Международной научной
конференции «Проблемы современного строительства», Пенза : АННОО
«Приволжский Дом знаний». – 2011. – С. 186–187.
2. Кузнецов, И. Л. Новые конструктивные решения стальных каркасов
легких многопролетных зданий / И. Л. Кузнецов, М. А. Салахутдинов, Л.Р. Гимранов // Известия КазГАСУ. – 2011. – № 1. – С. 88–92.
3. Салахутдинов, М.А. Оптимизация параметров стального каркаса многопролетного здания / М. А. Салахутдинов, И. Л. Кузнецов // Сборник докладов VII-й Международной научной заочной конференции «Актуальные вопросы современной техники и технологии», Липецк : Издательский центр «Гравис». – 2012. – С. 164–166.
4. Салахутдинов, М.А. Оптимизация параметров нового конструктивного решения стального каркаса многопролетного здания / М. А. Салахутдинов, И. Л. Кузнецов // Известия КазГАСУ. – 2012. – №2. – С.
94–98.
5. Салахутдинов, М.А. Консольная укладка профилированного настила / М.
А. Салахутдинов, И. Л. Кузнецов // Материалы Международной научнопрактической конференции «Актуальные проблемы строительного и дорожного комплексов», Йошкар-Ола : Редакционно-издательский центр
ПГТУ. – 2013. – С. 216–219.
6. Салахутдинов, М.А. Повышение эффективности раскладки профилированного настила в покрытиях многопролетных зданий / М. А.
Салахутдинов, И. Л. Кузнецов // Известия КазГАСУ. – 2013. – №3. –
С. 54–60.
7. Пат. 117941 Российская Федерация, МПК Е 04 В 1/24. Металлический
каркас одноэтажного многопролетного здания / Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А. ; заявитель и патентообладатель КазГАСУ. – №
2010148973/03 ; заявл. 30.11.2010 ; опубл. 10.07.2012, Бюл. № 19. – 5 с.
8. Пат. 2476647 Российская Федерация, МПК Е 04 В 1/24. Стальной
каркас одноэтажного многопролетного здания / Кузнецов И.Л., Салахутдинов М.А. ; заявитель и патентообладатель КазГАСУ. – №
2011119389/03 ; заявл. 13.05.2011 ; опубл. 27.02.2013, Бюл. № 6. – 4 с.
9. Пат. 2498025 Российская Федерация, МПК Е 04 В 1/24. Металлический каркас одноэтажного многопролетного здания / Кузнецов И.Л.,
Салахутдинов М.А. ; заявитель и патентообладатель КазГАСУ. – №
2012113745/03 ; заявл. 06.04.2012 ; опубл. 10.11.2013, Бюл. № 31. – 4 с.
19
Подписано к печати «___»______2014 г.
Объем 1,0 п.л.
Формат 60х84/16
Заказ №____
Отпечатано в полиграфическом секторе
Издательства КГАСУ.
420043, Казань, ул. Зеленая, д.1
20
Печать RISO
Тираж 100 экз.
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
38
Размер файла
1 170 Кб
Теги
одноэтажная, стальных, каркасом, легких, многопролетной, схема, совершенствование, здания, конструктивное
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа