Пространственно-стержневые конструкции покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка
На правах рукописи
МАТВЕЕВ АНДРЕЙ ВАДИМОВИЧ
ПРОСТРАНСТВЕННО-СТЕРЖНЕВЫЕ КОНСТРУКЦИИ ПОКРЫТИЙ С ПОЯСАМИ СОСТАВНОГО ПРОФИЛЯ ИЗ ШВЕЛЛЕРА И УГОЛКА
05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Томск 2004
Работа выполнена в Томском государственном архитектурно-строительном университете
Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент
Копытов Михаил Михайлович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Казарновский Вадим Соломонович
кандидат технических наук, доцент
Подшивалов Иван Иванович
Ведущая организация: ЗАО НТЦ “ЭРКОНСиб” г. Новосибирск
Защита состоится « 26 » марта 2004 г. в 14.00 часов на заседании диссертационного совета Д. 212.265.01 в Томском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 634003 г. Томск, пл. Соляная,2, ауд. 307 (5 корпус)
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного архитектурно-строительного университета
Автореферат разослан 20 февраля 2004 г.
Ученый секретарь диссертационного
совета д.т.н., профессор Скрипникова Н.К.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы: Эффективность металлоконструкций определяется уровнем снижения металлоемкости, трудоемкости изготовления и монтажа при одновременной минимизации транспортных расходов. В одноэтажных производственных зданиях конструкции покрытий составляют 36…56% от общего объема работ. Наибольшим рыночным спросом в настоящее время и ближайшей перспективе будут пользоваться здания и сооружения небольших пролетов. Поиски скрытых резервов привели к созданию новых конструктивных форм основными несущими элементами которых являются составные профили, образованные из состыкованных швеллера и уголка. Приоритет защищён четырьмя патентами и авторскими свидетельствами. Они экономичны, позволяют реализовать беспрогонное и бесфасоночное решение покрытия при минимальных трудозатратах на изготовление и монтаж. Предварительный технико-экономический анализ показал, что по сравнению с аналогами можно добиться снижения расхода металла и стоимости.
Серьёзной проблемой внедрения этих конструкций является не изученность работы, как стержня составного профиля из швеллера и уголка, так и новых конструктивных форм, созданных на его основе. Решение этих задач можно получить только на базе экспериментально-теоретических исследований. Они позволяют разработать обоснованные рекомендации по проектированию, изготовлению и монтажу, которые представляются актуальными и востребованными в строительстве.
Цель диссертации – разработка и исследование новых конструктивных решений пространственных конструкций покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.
Для достижения цели необходимо решение следующих основных задач:
1. Разработать конструкции пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.
2. Исследовать напряженно-деформированное состояние поясов составного профиля из швеллера и уголка и дать оценку их прочности по критерию ограниченных пластических деформаций.
3. Провести экспериментальные исследования натурной пространственной конструкции с поясом составного профиля из швеллера и уголка и выявить особенности её работы с учетом развития ограниченных пластических деформаций.
4. Провести сопоставление результатов расчетов с результатами экспериментов и дать рекомендации по проектированию покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.
Научная новизна работы:
1. Получена совокупность математических соотношений, характеризующих работу элементов пространственных конструкций покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка.
2. Определено напряженно-деформированное состояние составного стержня из швеллера и уголка в упругопластической стадии и разработан способ расчета его прочности по критерию ограниченных пластических деформаций.
3. Установлена степень влияния податливости примыкания раскосов к поясам исследуемых конструкций на общие деформации пространственно-стержневой системы.
4. Результаты экспериментальных исследований натурной пространственной конструкции покрытия с верхним поясом составного профиля из швеллера и уголка при различных схемах статического нагружения в стадии упругого и упругопластического деформирования.
Автор защищает:
1. Совокупность научных положений и закономерностей, являющихся основой для расчета стержней составного профиля из швеллера и уголка;
2. Методика и результаты натурных испытаний пространственной фермы;
3. Конструктивные решения пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка и раскосной решёткой из уголков;
4. Рекомендации по проектированию и изготовлению пространственно-стержневых металлоконструкций с поясами составного профиля и раскосной решёткой из уголков.
Достоверность полученных результатов обеспечена корректным использованием основных положений теории тонкостенных стержней, метода конечных элементов и удовлетворительной сходимостью с результатами экспериментальных исследований.
Практическая значимость работы. Разработан сортамент составного профиля образованного из швеллера и уголка. Разработаны конструктивные решения беспрогонных и бесфасоночных покрытий с поясами из составного профиля и дана их технико-экономическая оценка. Разработан инженерный метод расчета элементов пространственно-стержневых конструкций с поясами составного профиля из швеллера и уголка и наклонной раскосной решёткой из уголков. Даны рекомендации по изготовлению, транспортировке и монтажу.
Результаты работы внедрены Новосибирским ЗАО НТЦ “ЭРКОНСиб”, Томской проектно-конструкторской фирмой ВОГТЕХПРОЕКТ, и используются при разработке новых и модернизации существующих пространственных конструкций покрытий. Материалы диссертации используются в учебном процессе ТГАСУ по дисциплине “Металлические конструкции” и при переподготовке инженеров-строителей на факультете повышения квалификации.
Апробация работы: Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на VII Украинской научно-технической конференции «Металлические конструкции» (г. Днепропетровск, Украина, 2000 г.), на 56й, 57й, 58й, 59й научно-технических конференциях (г. Новосибирск, НГАСУ, 1999, 2000, 2001, 2002 гг), на 57й научной конференции преподавателей, научных работников и аспирантов университета (г. Санкт-Петербург, С-ПбГАСУ, 2000 г), на XVIII региональной научно-технической конференции (г. Красноярск, КрГАСА, 2000 г), на Международной конференции “Современные проблемы восстановления и реконструкции зданий и сооружений” (г. Симферопль, Крымская акад. природоохранного и курортного строительства, 2002 г), на 1й и 2й Международной конференции “Архитектура и строительство” (г. Томск, ТГАСУ, 1999, 2002 гг), на Международной конференции “METALLBILD -2003” (г. Москва, Госстрой РФ, 2003); на научных семинарах кафедры металлических и деревянных конструкций ТГАСУ в 2000, 2001, 2002, 2003 гг). В полном объеме диссертационная работа докладывалась на расширенном научном семинаре кафедры металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета (г. Томск, 2004 г.)
Публикации: Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 12 научных публикациях, описаниях 3 патентов и авторских свидетельств, 1 заявки на патент и 2 заявок на полезную модель, по которым получено положительное решение.
Структура и объем диссертации: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы из 157 наименований. Общий объем работы 187 страниц, в том числе 171 страница основного текста, включающего 88 рисунков, 21 таблицу.
Работа выполнена на кафедре металлических и деревянных конструкций Томского государственного архитектурно-строительного университета при поддержке Гранта 98-21-1.7-21 в области архитектуры и строительных наук, а также темы №211.03.02.010 по программе “Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники”.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы и приводится общая характеристика работы.
В первой главе дан обзор пространственно-стержневых металлоконструкций покрытий и методов их исследования. Отмечены их достоинства и недостатки. Рассмотрены конструктивные формы легких покрытий и тенденции их развития, которые направлены на снижение металлоемкости, трудоемкости и стоимости. Это достигается за счет реализации пространственной работы, совмещения функций несущих и ограждающих конструкций, минимизации строительной высоты, упрощения узлов сопряжения, рациональных профилей сечения элементов.
Проанализированы теоретические и экспериментальные исследования, выполненные А. Фёпплем, В.Г. Шуховым, В.А. Балдиным, Е.И. Беленя, В.И. Трофимовым, Б.А. Сперанским, В.В. Бирюлевым, Б. Фрицем, Я. Брудкой, Е. Сузуки, Я.И. Ольковым, Р.И. Хисамовым, А.А. Калининым, В.К. Файбишенко, А.З. Клячиным, А.П. Коротковым, Б.А. Пушкиным, Л.Н. Лубо, И.И. Крыловым, И.С. Холоповым, Л.В. Енджиевским, их учениками и многими другими авторами. Наиболее полно отражает работу таких конструкций пространственно-стержневая расчетная модель. Из расчетных методов наиболее эффективен метод конечного элемента (МКЭ), а из экспериментальных – натурные испытания конструкции.
Основными элементами несущих конструкций покрытий являются тонкостенные стержни. Отмечены фундаментальные работы С.П. Тимошенко, В.З. Власова, А.А. Уманского, заложивших основы технической теории тонкостенных стержней, которые нашли дальнейшее развитие в трудах Д.В. Бычкова, А.К. Мрощинского, А.И. Стрельбицкой, С.И. Стельмаха, И.В. Урбана, А.Р. Ржаницына, Г.Ю. Джанелидзе и многих других ученых.
В 70-х годах разрабатывается методика расчета таких стержней по деформированной схеме в работах Л.Н. Воробъева, А.З. Зарифьяна,, Е.А. Бейлина, О.В. Лужина, Б.М. Броуде. Основные положения которой заложены в трудах В.В. Болотина, А.С. Вольмира, П.Ф. Папковича, Л.С. Ляховича, А.В. Гемерлинга и развитые их учениками.
Методы расчета прочности элементов стальных конструкций за пределом упругости изложены в работах А.А. Ильюшина, Н.С. Стрелецкого, Г.Е. Бельского, А.А. Потапкина, Н.Л. Чернова, В.В. Пинаджана. Развитие этих методов по критерию ограниченных пластических деформаций содержатся в трудах Н.Н. Стрелецкого, Г.И. Белого, В.П. Коломийца, Р.А. Скрипниковой.
Отмечены два общих подхода к оценке прочности тонкостенных стержней: расчет в форме непосредственной проверки интенсивности пластических деформаций (1) и в форме проверки условных напряжений (2):
Во второй главе представлены конструктивные решения запатентованных пространственно-стержневых покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка и наклонной раскосной решеткой из уголков. Выявлены особенности расчета и конструирования, дан технико-экономический анализ применения их в строительстве.
Системообразующим элементом таких конструкций является составной стержень образованный из состыкованных швеллера и уголка (рис. 1). Разработан сортамент этого профиля при варьировании формообразующих швеллеров в диапазоне от №6,5 до №30. В процессе анализа геометрических характеристик установлено, что сечение составного пятигранного близко к равноустойчивому: соотношение 1,0( iy (1,16; следовательно, оно эффективно работает на сжатие. Сечение хорошо сопротивляется изгибу с кручением. При косом изгибе плоскость х-х следует ориентировать в плоскости большего момента, т.к. 1,25( Wy / Wx
(1,45. Сечение позволяет развивать конструктивную форму в пяти направлениях. При этом крепление примыкающих стержней выполняется без фасонок. Более сложные композиции (рис. 2) позволяют повысить несущую способность составного профиля и расширить область применения, включая колонны, каркасы производственных и высотных зданий, арки, опоры высоковольтных линий и т.п. (патент RU№2174576).
Рис.2
Разработаны и запатентованы три конструктивные формы покрытий: складчатое покрытие из наклонных ферм (RU№8716 ); покрытие из трехгранных ферм (RU№2188287), структурное покрытие (RU№19068). Все эти покрытия (рис. 3) образованы системой наклонных ферм с параллельными поясами. Они расположены под углом 450 к вертикали. Верхний пояс составного профиля из швеллера и уголка, раскосная решетка из одиночных уголков; нижний пояс – составной профиль или одиночный уголок. Плоскость раскосов ортогональна плоскостям граней поясов, что упрощает подрезку торцов раскосов с последующей приваркой в тавр к поясным элементам без фасонок (рис. 4). Строительная высота покрытия 1/10...1/18 пролета. Пространственная жесткость обеспечивается за счет работы настила и раскосной системы наклонных ферм.
Отмечены достоинства и недостатки каждой конструктивной формы и область их применения. Проведенный статический анализ позволил минимизировать количество элементов пространственно-стержневой системы. Рассмотрены особенности работы исследуемых конструкций, связанные с формой составного профиля, податливостью сопряжения поясов с раскосами и их расцентровкой.
Рис. 3. Конструктивные формы покрытий с поясами составного профиля
Рис. 4. Бесфасоночное сопряжение поясов составного профиля с раскосами
МКЭ по программе SCAD7.29 решен комплекс задач по оценке податливого примыкания раскосов к поясам. Дана оценка перемещений полки поясного уголка от воздействия усилий в раскосах при различных вариантах загружения конструкции. Изополя перемещений представлены на рис. 5, пунктиром показаны примыкающие раскосы.
Усилия от раскосов вызывают в полке поясного уголка локальные деформации, которые быстро угасают по мере удаления от центра сопряжения элементов. Прогибы полки поясного уголка (f, характеризующие степень податливого примыкания раскосов, соизмеримы с абсолютной деформацией раскосов (L и составляют от 20 до 90% их значений. Эквивалентная жесткость раскосов с учетом упругой податливости:
Рис. 5. Изополя перемещений полки поясного уголка в середине пролета при равномерно распределенной нагрузке на верхнем поясе
Учет податливого примыкания раскосов к поясам в расчетной схеме бесфасоночной пространственно-стержневой системы приводит к снижению общей жесткости раскосной решетки. При этом возрастают общие вертикальные перемещения конструкции под нагрузкой. Снижение пространственной жесткости конструкции практически не влияет на внутренние усилия в поясах и раскосах.
Устойчивость верхних поясов в горизонтальной плоскости обеспечена диафрагмами жесткости из профнастила. При оценке устойчивости пояса в вертикальной плоскости следует учитывать податливое примыкание раскосов к поясам. В этом случае расчетная схема пояса представлена в виде многопролетного стержня на упругих опорах. Даны рекомендации по оценке расчетной длинны этого внецентренно-сжатого стержня.
Предварительный подбор сечения пояса составного профиля из швеллера и уголка рекомендуется выполнить по упругой стадии с введением С=1,2:
В дальнейшем, после конструирования узлов и корректировки первоначально принятой расчетной схемы пространственно-стержневой системы с учетом расцентровки и податливого примыкания раскосов к поясам, окончательную проверку прочности по критерию ограниченных пластических деформаций (1) следует выполнить по формуле:
где
– коэффициенты, учитывающие развитие пластических деформаций при совместном действии N, Mx, My. Эти коэффициенты получены в гл. 3 настоящей диссертации. Даны рекомендации по расчету и конструированию остальных элементов конструкции.
Рассмотрены технологические вопросы изготовления, транспортировки и монтажа разработанных конструкций. Производство их не требует больших площадей и спецоборудования. Представлены устройства для изготовления составного профиля из швеллера и уголка и сборки отправочных марок. Разработаны схемы компактной транспортировки отправочных марок с максимальной загрузкой транспортных средств.
Дана оценка трудоемкости изготовления, металлоемкости и заводской себестоимости исследуемых конструкций покрытий. Проведен сравнительный анализ удельной металлоемкости трех разработанных конструктивных форм (рис. 3) с аналогами: стропильные фермы из уголков, круглых труб, ГСП типа “Молодечно”, ферм с тавровыми поясами и структурных покрытий ЦНИИСК. Установлено, что металлоёмкость исследуемых бесфасоночных покрытий на уровне ферм из ГСП типа “Молодечно”; при этом на 10% снижается расход металла на профнастил. При варьировании пролета от 12 до 24 м и нагрузке 3 кН/м2 удельная металлоемкость несущих конструкций составляет 12...17,5 кг/м2.
Удельная трудоемкость изготовления бесфасоночных ферм с поясами составного профиля из швеллера и уголка составляет 10,45 чел-час/тонну. По сравнению с традиционными фермами из спаренных уголков при пролете 18 м, применение трехгранных ферм дает экономию металла 25,7%, снижение заводской стоимости на 26% при одновременном снижении трудозатрат на 22,4%. В диссертации представлены технико-экономические показатели разработанных проектных решений опытного внедрения исследуемых конструкций в практику строительства.
В третьей главе исследовано напряженно-деформированное состояние системообразующего составного стержня из швеллера и уголка. Рассмотрена задача внецентренного сжатия (растяжения) с двуосным эксцентриситетом в упругой и упругопластической стадии. При переходе в упругопластическую стадию использован метод определения напряжений и деформаций В.П. Коломийца, распространенный Г.И. Белым на общий случай загружения. Для реализации численной процедуры определения деформаций всё сечение представляется дискретизированным на малые площадки (Ak c координатами центра тяжести каждой площадки xk, yk (рис. 6). Деформации, возникающие в центре тяжести каждой площадки, при отсутствии начальных напряжений представлены в виде:
Решение системы уравнений (10) проводится итерационным методом, позволяющим с помощью последовательных приближений получить с заданной степенью точности значения всех компонент деформаций при любом сочетании силовых факторов.
На основе приведенной методики на языке “Object Pascal” разработана программа автоматизированного определения напряженно-деформированного состояния составного профиля из швеллера и уголка с учетом ограниченного развития пластических деформаций. Сервисное обеспечение предусматривает диалоговые окна для определения геометрии сечения, его физико-механических характеристик, предельных силовых факторов, вывода результатов расчета в форме таблиц и изополей обобщенных деформаций.
С помощью программы определены максимальные внутренние усилия, действующие в поперечном сечении составного стержня как в упругой, так и в упругопластической стадии. Результаты расчета представлены в виде графиков,
Установлено влияние геометрических характеристик составного профиля из швеллера и уголка на предельные усилия. Анализ профилей разработанного сортамента показал, что соотношение площадей швеллера и уголка может изме-
Эпюры обобщенных деформаций 
при различных соотношениях силовых факторов приведены на рисунке 10. В зависимости от соотношения Мx, My, N точка максимальной деформации составного профиля может менять свой адрес. Не во всех случаях отдельные максимальные значения усилий вызывают предельное состояние сечения, это следует учитывать при выборе расчетных сочетаний усилий.
Разработаны практические рекомендации для оценки прочности составного профиля из швеллера и уголка. Проверка предельного состояния по непригодности к эксплуатации вследствие ограниченного развития пластических деформаций производится по формуле (5), в которой значения коэффициентов найдены как:
В диссертации приведены таблицы коэффициентов (13) в зависимости от соотношения и знака силовых факторов N, Mx, My, а также отношения Ашв/Ауг.
Программа расчета позволяет в процессе развития исследований и расширения области использования составного профиля учесть дополнительные силовые факторы и связанные с ними деформации: поперечные силы, кручение и др. В диссертации представлены дополнительные зависимости, учитывающие эти факторы. Повышение несущей способности исследуемого стержня можно добиться путем использования различных марок стали в швеллере и уголке. Отмечены и другие перспективные направления развития исследований и совершенствования конструктивной формы.
В четвертой главе представлены экспериментальные исследования стальной бесфасоночной пространственной фермы с верхним поясом из швеллера и уголка и наклонной раскосной решеткой из одиночных уголков. Цель эксперимента – изучение действительной работы натурной конструкции при статическом загружении и проверка основных расчетных предпосылок и теоретических положений.
Габаритные размеры трехгранной фермы: пролет – 12 м, высота – 1,5 м, ширина – 3 м, панели поясов – 3 м. Сечение верхнего пояса образовано из [№12 по ГОСТ 8240-72 и L80х10 по ГОСТ 8509-93. Два нижних пояса из L80х10, каждый из которых ориентирован обушком вверх (рис. 3а); раскосы из L50х5, L75х8, L80х10 торцами приварены к поясным уголкам верхнего и нижнего пояса (рис. 4). Материал всех элементов по результатам испытаний стандартных образцов на растяжение соответствует стали С235 по ГОСТ 27772-88*. Испытания проведены на стенде при проектном положении конструкции в два этапа:
- Этап №1. Изучение работы конструкции в упругой стадии при варьировании величины, характера и схем загружения.
- Этап №2. Изучение её работы при переходе в упругопластическую стадию до потери несущей способности.
На первом этапе реализованы четыре схемы загружения: равномерно распределенная нагрузка по всему и в половине пролета, сосредоточенные силы в узлах, сосредоточенные силы в середине панелей верхнего пояса. Предельная нагрузка назначалась так, чтобы максимальный уровень напряжений не превышал 80% Ry. На втором этапе при равномерно распределенной нагрузке по всему пролету конструкция загружалась до предельного состояния.
Рис. 11. Схема расстановки прогибомеров: М – ПМ, А – ПАО-5, И – индикаторы
Измерение вертикальных и горизонтальных перемещений производилось прогибомерами ПМ, ПАО-5, а также индикаторами часового типа с ценой деления 0,01 мм. Схема расстановки приборов показана на рис. 11. Индикаторами с ценой деления 0,001 мм контролировалось возможное смещение швеллера относительно уголка составного профиля.
Измерение деформаций производилось с помощью тензорезисторов, сопротивлением 100 Ом и базой 20 мм. В качестве регистрирующей аппаратуры использован цифровой измерительный комплекс К732/1 с компьютерным управлением. Контролируемые тензорезисторами сечения пространственной фермы отмечены на рис. 12.
Рис. 13. Эпюры прогибов верхнего пояса при варьировании схемами загружения
Эпюры прогибов верхнего пояса фермы при варьировании схем загружения приведены на рис. 13. Здесь лини 1 соответствуют теоретическим прогибам без учета податливого примыкания раскосов к поясам; линии 2 – измеренные значения; пунктир – прогибы с учетом податливого примыкания раскосов. Сходимость экспериментальных и теоретических результатов по прогибам с учетом податливости составляет от 2,6% до 9%; без учета податливости эта разница увеличивается от 6% до 24%. Расчет таких конструкций по 2Й группе предельных состояний следует выполнять с учетом податливого примыкания раскосов, использование эквивалентной жесткости (3) дает удовлетворительный результат.
Вертикальные перемещения нижних поясов по характеру и величине аналогичны прогибам верхнего пояса. Горизонтальные перемещения верхнего и нижнего поясов на порядок меньше вертикальных, носят случайный характер и связаны с дефектами изготовления конструкции. Местный изгиб полки поясного уголка в зоне примыкания раскосов при максимальной нагрузке составил 0,76% от толщины полки. Сдвига швеллера относительно уголка составного пятигранного профиля не обнаружено: сечение работает монолитно.
Сравнение теоретических и экспериментальных значений нормальных напряжений в упругой стадии представлено на рис. 14. Сплошными линиями показаны экспериментальные, пунктиром – теоретические эпюры. Теоретические значения приведены в скобках. Расхождение максимальных значений ( для верхнего пояса пятигранного сечения не превышает 5-7% и составляет в среднем (4%; для нижнего пояса – менее 9%; для растянутых раскосов от 0 до 35%; для сжатых раскосов – от 0 до 45%. В раскосах появляются изгибные нормальные напряжения (, не учитываемые расчетной схемой, а большие расхождения соответствуют только малым усилиям в стержнях (разность малых чисел). Центрального сжатия или растяжения в раскосах не зафиксировано. Это связано как с несовершенствами изготовления, так и с особенностью работы узлов.
Рис. 14. Эпюры ( (МПа) при равномерно распределенной нагрузке
Особое внимание в процессе эксперимента уделено изучению работы внецентренно-сжатого составного стержня верхнего пояса в упругопластической стадии. Наиболее опасным сечением его является Вп2-3 (рис. 12). Для оценки глубины развития пластических деформаций в этом сечении устанавливались по два дополнительных тензорезистора на каждой грани. Начало зарождения пластических деформаций зафиксировано в обушке поясного уголка (рис. 15а). Процесс дальнейшего развития пластических деформаций в этом сечении при возрастании
Глубина развития пластических деформаций в предельном состоянии показана на рис. 15в. Уменьшение упруго работающего сечения приводит к смещению нейтральной оси x0 – x0. Процесс развития пластических деформаций интенсивно нарастает. Одновременно развиваются пластические деформации и в сечении Вп3 (рис. 12). Несущая способность пояса исчерпана. Появление обширной зоны развития пластических деформаций сопровождается ростом прогибов конструкции. Однако механического разрушения в элементах и узлах фермы не зафиксировано. При снятии нагрузки она стремится восстановить свою первоначальную форму с заметным появлением остаточных прогибов и необратимых деформаций.
Эксперимент подтвердил основные расчетные предпосылки и полученные теоретические результаты, которые могут быть использованы при проектировании исследованных конструкций.
В пятой главе даны практические рекомендации по изготовлению, расчету и конструированию бесфасоночных пространственно-стержневых конструкций покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка. Определены направления дальнейших исследований, включая исследование работы сварного компоновочного шва, соединяющего швеллер и уголок составного профиля.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ:
1. Разработаны новые пространственно-стержневые конструкции покрытий с поясами составного профиля из швеллера и уголка, включая складку, трехгранную ферму и структурную плиту. Экспериментально и теоретически обоснована возможность применения конструкций в практике строительства.
2. Разработана вычислительная программа для расчета стержня составного профиля из швеллера и уголка на действие продольной силы с двухосным эксцентриситетом. Изучено влияние геометрических параметров составного профиля из швеллера и уголка на его деформации в зависимости от соотношения величин продольной силы и изгибающих моментов.
3. Получены значения коэффициентов для проверки прочности поясов по критерию ограниченных пластических деформаций в зависимости от соотношения силовых факторов и геометрических параметров составного сечения из швеллера и уголка.
4. Дана оценка жесткости пространственных конструкций с поясами составного профиля из швеллера и уголка. Установлено, что расчет конструкции по второй группе предельных состояний необходимо проводить с учетом податливости примыкания раскосов к поясу.
5. Экспериментально получены новые данные, характеризующие особенности напряженно-деформированного состояния натурной конструкции покрытия с верхним поясом составного профиля из швеллера и уголка при статическом нагружении.
6. Результаты экспериментальных исследований подтвердили правомерность основных теоретических предпосылок, положенных в основу разработанного способа расчета. При этом сходимость теоретических и экспериментальных результатов по прогибам составила 2,6...9%, по напряжениям в упругой стадии (4,3%, по значениям остаточных деформаций 3,3%.
7. Целесообразность использования разработанных конструкций подтверждена опытом их 3-х летней эксплуатации в условиях г. Томска.
Основные результаты диссертации представлены в следующих материалах:
1. Копытов М.М., Матвеев А.В. Беспрогонное складчатое покрытие из прокатных профилей.// Информационный лист №44-98, сер. Р.67.11.35. – Томск: Изд-во МТ ЦНТИ, –1998. –4 с.
2. Копытов М.М., Матвеев А.В., Яшин. С.Г. Повышение надежности эксплуатируемых структурных покрытий.// Вестник Томского гос. архит.-строит. ун-та. –Томск.: Изд-во ТГАСУ. – 1999. – №1. – С.121-126.
3. Проблемы легких металлических конструкций в Томской области./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, А.С. Косинцев, С.Г. Яшин// Труды НГАСУ. – Новосибирск. – 1999. – Т.2, №3(4). – С.54-62.
4. Складчатое покрытие из прокатных профилей./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, А.С. Косинцев// Труды НГАСУ. – Новосибирск. – 1999. – Т.2, №2(4). – С.43-49.
5. Патент №2174576RU С2 МПК7 Е04 С3/32. Тонкостенная несущая конструкция замкнутого контура./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, А.С. Косинцев, С.Г. Яшин// По заявке №99107694/03, дата поступления 05.04.1999, опубл. 10.10.2001, бюл. №28.– 10с.
6. Матвеев А.В. К исследованию металлоконструкций покрытий с пентагональным сечением сжато-изогнутого пояса.// Архитектура и строительство. Наука, образование, технологии, рынок: тез. докл. научн.-техн. конф., 30 нояб.– 1 декаб. 1999 г., г. Томск/ Секция “Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций”. – Томск.: Изд-во ТГАСУ. – 1999. – С. 94-95.
7. Матвеев А.В. Особенности расчетной схемы пространственной трехгранной фермы с пентагональным сечением верхнего пояса.// Вестник Томского гос. архит.-строит. ун-та. – Томск. – 1999. – №2. – С.131-137.
8. Копытов М.М., Ерохин К.А., Матвеев А.В. Экспериментальное исследование бесфасоночной пространственной фермы с пентагональным сечением верхнего пояса.// Известия ВУЗов. Строительство. – 2000. – №11. – С. 129-132.
9. Стержневые конструкции с пятигранным профилем сечения, составленным из швеллера и уголка./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Е.А. Мелехин// VII Украинская науч.-тех. конф. «Металлические конструкции». Сб. докладов. – Днепропетровск. – 2000 г. – С. 131-133.
10. Патент №2188287RU С2 МПК7 Е04 С3/04. Покрытие из трехгранных ферм./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Е.А. Мелёхин.// По заявке №2000117116, дата поступления 27.06.2000, опубл. 27.08.2002, бюл. №24. – 8с.
11. Свидетельство на полезную модель №19068RU U1 МПК7 Е04 С3/04. Структурное покрытие./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Е.А. Мелёхин.// По заявке № 2001100914, дата поступления 09.01.2001, опубл. 10.08.2001, бюл. №22. – 8 с.
12. Матвеев А.В. Приложение алгоритма «Сечение» к исследованию упруго-пластической работы пятигранного профиля.// Архитектура и градостроительство. Наука, образование, технологии: тез. докл. научн.-техн. конф., 11–12 сент. 2002 г., г. Томск/ Секция “Проблемы развития теории сооружений и совершенствования строительных конструкций”. – Томск.: Изд-во ТГАСУ. – 2002. – С. 43-44.
13. Пространственные покрытия с поясами пентагонального сечения./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Р.А. Осокин// Известия ВУЗов. Строительство. – 2002. – №4. – С. 14-18.
14. Использование стержневых элементов пентагонального профиля сечения в условиях реконструкции./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Р.А. Осокин./ Крымская акад. природоохраны и курортного строит.// Сб. научн. трудов №6 “Строительство и техногенная безопасность”. Симфиропль. –2002. – С. 81-83.
15 Копытов М.М., Матвеев А.В., Мелёхин Е.А. Бесфасоночные пространственно-стержневые покрытия с поясами пентагонального профиля сечения.// Монтажные и специальные работы в строительстве. – 2003. – №11. – С. 2-6.
16. Заявка на полезную модель №2003105049/20(005781). Пространственный узел покрытия./ М.М. Копытов, К.А. Ерохин, А.В. Матвеев, Р.А. Осокин. Приоритет 25.02.2003
17. Заявка на полезную модель №2003118832/20(020237). Тонкостенная несущая конструкция замкнутого пятигранного сечения (ее варианты)./ М.М. Копытов, А.В. Матвеев, Е.А. Мелёхин, А.П. Малиновский. Приоритет 24.06.2003, положительное решение 17.07.03.
18. Заявка на изобретение №2003120389/03(021634). Покрытие из трехгранных ферм./ М.М. Копытов, А.В. Матвеев, Е.А. Мелёхин. Приоритет 03.07.2003.
Изд. лиц. № 021253 от 31.10.97. одписано впечать 20.02.04
Формат 60x90/16. Бумагаофсет. Гарнтура Таймс, печать офсет.
Уч.-изд. л.2. Тираж 100 экз. Заказ № 100
Изд-во ТГАСУ, 634003, г. Тоиск, пл.Соляная 2.
Отпечатанос ориганал-макета в ООП ТГАСУ.
634003, г. Томск, ул. Партизанская, 15.
