ВІДКРИТЕ АКЦІОНЕРНЕ ТОВАРИСТВО

УКРАЇНСЬКИЙ НАУКОВО-ДОСЛІДНИЙ

ТА ПРОЕКТНИЙ ІНСТИТУТ СТАЛЕВИХ КОНСТРУКЦІЙ

ІМЕНІ В. М. ШИМАНОВСЬКОГО

Сіянов Олександр Ілліч

УДК 624.074.5

МЕТАЛЕВІ ОДНОШАРОВІ ЦИЛІНДРИЧНІ

СТЕРЖНЕВІ ПОКРИТТЯ

05.23.01 – будівельні конструкції, будівлі та споруди

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Вінницькому державному технічному університеті Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, професор

Свердлов Володимир Деонисович, Вінницький державний технічний університет, завідувач кафедри промислового та цивільного будівництва.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Пічугін Сергій Федорович, Полтавський національний технічний університет імені Юрія Кондратюка, завідувач кафедри конструкцій з металу, дерева і пластмас;

кандидат технічних наук, професор

Нілов Олексій Олександрович, Київський національний університет будівництва і архітектури, професор кафедри металевих та дерев’яних конструкцій.

Провідна установа: Науково-дослідний інститут будівельних конструкцій, відділ виробничих стаціонарних і мобільних будівель та споруд з металевих конструкцій, Держбуд України, м. Київ.

Захист відбудеться “ 23 ” травня 2002 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 26.857.01 у Відкритому акціонерному товаристві Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського за адресою: 02125, м. Київ, просп. Визволителів, 1.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Відкритого акціонерного товариства Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського за адресою: 02125, м. Київ, просп. Визволителів, 1.

Автореферат розісланий “ 16 ” квітня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

доктор технічних наук, професор О.І. Оглобля

1

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Одношарові циліндричні стержневі покриття є унікальними просторовими конструкціями, форма яких вирішує важливу в наш час проблему ресурсозбереження. Такі системи мають високі техніко-економічні показники і дозволяють виконувати складання вказаних конструкцій з уніфікованих елементів, що значно зменшує тривалість монтажу. Разом з тим, одношарові циліндричні стержневі покриття великих прольотів розроблені недосконало. Існуючі методи розрахунку таких систем на стійкість мають наближений характер і являються узагальненими для різних форм стержневих оболонок.

Тому актуальною є проблема удосконалення таких систем з метою підвищення їх надійності і ефективності використання в конкретних об’єктах будівництва. Необхідність подальшого теоретичного дослідження викликана також тим, що при збільшенні прольотів система одношарового циліндричного стержневого покриття, як правило, вичерпує несучу здатність шляхом загальної втрати стійкості.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до напрямку 04 “Екологічно чиста енергетика та ресурсозберігаючі технології”, затвердженому Кабінетом міністрів України, а також відповідає тематиці загального плану наукових досліджень, які проводились на кафедрі промислового та цивільного будівництва Вінницького державного технічного університету в період з 1997 по 2001 роки та за темою 65/02 “Удосконалення методів розрахунку та розробка нових конструктивних форм одношарових циліндричних стержневих покрить” (№ держ. реєстрації 0101U000021).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є удосконалення одношарових циліндричних стержневих покрить за рахунок додаткових конструктивних заходів і нових конструктивних рішень вузлів та виявлення закономірностей напружено-деформованого стану і загальної втрати стійкості розглянутих покрить.

Для досягнення поставленої мети потрібно було вирішити такі задачі:

розробити нові конструктивні заходи і нові ефективні вузли;

розробити методику розрахунку загальної стійкості і напружено-деформованого стану конструкції;

експериментально дослідити одношарові циліндричні стержневі покриття як непідкріплені, так і підкріплені конструктивними елементами з метою перевірки теоретичних положень;

виробити практичні рекомендації по впровадженню та раціональному використанню циліндричних покрить.

Об’єкт дослідження одношарові циліндричні стержневі покриття без підкріплень, з затяжками та з горизонтальними фермами.

2

Предметом дослідження є удосконалення систем покрить і створення методики розрахунку загальної стійкості покрить.

Методи досліджень основані на принципах математичного і фізичного моделювання та існуючих сучасних програмних комплексах.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному:

запропоновані принципи удосконалення одношарових циліндричних стержневих покрить, розроблені ефективні конструктивні форми вузлових з’єднань для підвищення надійності роботи конструкції;

теоретично і експериментально обгрунтована доцільність введення в систему покриття засобів підкріплення у вигляді затяжок та горизонтальних ферм;

одержана аналітична залежність критичного навантаження від геометричних і жорсткістних параметрів одношарового циліндричного стержневого покриття, достовірність якої підтверджена шляхом співставлення розв’язків задач стійкості покрить, одержаних за допомогою формули і програмного комплексу в широкому діапазоні зміни вказаних параметрів.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що запропоновані нові, менш металоємкі конструктивні рішення системи покриття, конкретні заходи по зменшенню переміщень вузлів та підвищенню загальної стійкості системи в цілому. Розроблені варіанти вузлових з’єд-нань стосовно систем з затяжками та з горизонтальними фермами, один з яких захищений патентом України № 35041А. Запропонована формула дала можливість значно спростити виконання досліджень залежності критичного навантаження від геометричних і жорсткістних характеристик сітчастої оболонки і може бути включена в довідкову літературу та успішно використана в практиці реального проектування.

Рекомендації по конструюванню і впровадженню покрить призначені для використання в інженерній практиці.

Результати досліджень впроваджені в Державному проектно-вишукувальному інституті “Вінницяагропроект” при проектуванні складських приміщень (акт про впровадження № 1 від 17.12.2001), у Вінницькому державному технічному університеті при проектуванні перекриття “Тенісного корту” (довідка № 120170 від 18.12.2001) та використані при написанні монографії “Металеві циліндричні стержневі покриття”.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному:

поставлені задачі по удосконаленню конструкцій покрить, їх теоретичному і експериментальному дослідженню;

удосконалені системи покриття, їх конструктивні форми і вузлові з’єднання;

3

проведені експериментальні випробування і лабораторні дослідження;

розроблена методика розрахунку загальної стійкості, виконані чисельні дослідження напружено-деформованого стану і загальної стійкості покрить;

проведено обробку результатів, одержаних в процесі теоретичних і експериментальних досліджень.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи і матеріали досліджень доповідались і обговорювались на Міжнародній конференції “Теорія і практика металевих конструкцій” (Донецьк-Макіївка, 1997 р.); 4-му Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з метала і деревини” (Одеса, 1999 р.); 7-й Українській науково-технічній конференції “Металеві конструкції” (Дніпропетровськ, 2000 р.); 5-му Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з метала і деревини” (Одеса, 2001 р.); 3-й Республіканській науково-технічній конференції “Індивідуальний житловий будинок” (Вінниця, 2001 р.); науково-технічних конференціях Вінницького державного технічного університету: 26-й (1997 р.), 27-й (1998 р.), 28-й (1999 р.), 29-й (2000 р.), 30-й (2001 р.).

Публікації. Основні положення і результати дисертації опубліковані в 9 наукових працях, у тому числі 1 монографія, 3 статті у наукових фахових виданнях, 1 патент і 4 статті у збірниках конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертація містить вступ, 5 розділів, висновки, список використаних джерел, додаток. Роботу викладено на 200 сторінках, у тому числі 101 сторінка основного тексту, 14 сторінок списку літератури, 79 сторінок з 73 рисунками і 8 таблицями, 6 сторінок додатку. Бібліографія нараховує 179 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована важливість і актуальність питань, вирішенню яких присвячена дисертація, сформульовані мета і задачі дослідження, наведені основні результати, отримані автором, показано їх наукову новизну і практичне значення.

У першому розділі наведена загальна характеристика одношарових циліндричних стержневих покрить (рис. 1), стан питання і наукові досягнення в галузі застосування та впровадження даних покрить в Україні і за кордоном. Проведено аналіз літературних джерел по темі дисертації.

Просторовим стержневим покриттям присвячені праці багатьох авторів. Перші дослідження в цьому напрямку наведені в роботах Ф.С. Ясинського, В.Г. Шухова, І.С. Подольського, С.П. Тимошенка, П.Н. Рижкова, П.В. Рабцевича, Фьоппля, Шлінка, Шведлера та інших. Особлива увага при цьому приділялась циліндричним стержневим покриттям, дослідження яких розвинули К.К.

4

Симінський, В.З. Власов, В.І. Трофімов, Г.Б. Бєгун, І.Г. Попов, В.К. Файбишенко, П.Г. Бугаєць, М.Т. Кохан, В.Д. Свердлов, О.С. Городецький, В.М. Гордєєв, В.О. Пермяков, О.О. Нілов, А.В. Перельмутер, В.М. Шимановський, О.В. Шимановський, Г.І. Пшеничнов, Л.Н. Лубо, І.В. Ломбардо та інші. Цими вченими розроблена теорія розрахунку даних покрить, дана їх класифікація, виконані проекти ряду споруд. Рівень знань в даній галузі поступово визначав розвиток досліджеь циліндричних стержневих покрить, особливо одношарових.

І.Я. Штаєрман і А.А. Піковський запропонували розраховувати такі системи з урахуваням жорсткості поздовжніх ребер, причому прогин вузлів плоскої ферми від рівномірно розподіленого навантаження був прийнятий по синусоїдальній кривій. В.Д. Свердлов вперше для таких систем застосував метод розкладання на плоскі грані, за допомогою якого були одержані формули для визначення зусиль і переміщень в системі. Це дало змогу одержати вираз для визначення маси, а також оптимальні по масі залежності параметрів покриття (співвідношення довжини покриття до ширини та ширини до стріли підйому). Проблема переходу від суцільних систем до дискретних в розрахунках циліндричних стержневих покрить розглядалась в працях А.П. Філіна, Є.С. Гребеня і Л.А. Розіна. Жорсткісні властивості сіток різних типів досліджувались А.Р. Ржаніциним, В.І. Трофімовим, Г.Б. Бегуном, Р.І. Хісамовим, Л.Н. Лубо та іншими. Цей метод носив більш загальний характер і дозволяв проводити аналіз жорсткості сіток різної конфігурації.

Взагалі теорія розрахунку даних покрить ще знаходиться в стадії розробки. Найбільш докладні аналітичні методи розрахунку циліндричних стержневих покрить, куполів і пологих оболонок розвинені в працях Г.І. Пшеничнова. Комплекс досліджень, присвячених міцності і стійкості сітчастих оболонок належить Л.Н. Лубо, В.А. Савельєву, Лінду, Райту та іншим. Причому розрахунок на стійкість таких систем є визначальним в порівнянні з міцностним розрахунком, адже відомо, що дані системи втрачають стійкість при напруженнях, що набагато нижчі допустимих значень за умовами вичерпання міцності. Місцева втрата стійкості циліндричних сітчастих оболонок досліджувалась В.А. Савельєвим, Райтом і Ліндом. При цьому передбачалось, що системи знаходились під впливом локальних навантажень, які сприяли прохлопуванню вузлів. Загальна ж втрата стійкості майже не досліджувалась. Конструктивні рішення покрить були розроблені В.Д. Свердловим, В.Х. Лапса, В.К. Файбишенком, Ю.В. Новіковим, І.Є. Мілейковським.

На основі зробленого огляду і проведеного аналізу сформульовані основні напрямки, мета і задачі дослідження.

У другому розділі розглядаються напрямки удосконалення одношарових циліндричних стержневих покрить, приведені результати чисельних досліджень напружено-деформованого стану підкріплених і непідкріплених покрить, розроблені заходи по підвищенню загальної

5

стійкості покриття і ефективні конструктивні форми вузлових з’єднань, наведені практичні рекомендації по конструюванню і впровадженню.

Удосконалення конструкції здійснено за рахунок введення елементів підкріплення у вигляді затяжок та горизонтальних ферм (рис. 2, 3).

Запропоновані різні варіанти розміщення затяжок в залежності від кількості чарунок покриття. Кріплення затяжок до покриття виконується натяжними болтами в опорних вузлах нижніх поясів перших граневих ферм покриття. Натяг затяжок пропонується здійснювати за допомогою спеціального пристрою, або за допомогою гвинтових муфт.

Підкріплення покриття горизонтальними фермами передбачає, що один пояс цих ферм або входить до складу нижнього поясу першої грані покриття, або приєднується до цього поясу, а другий пояс з’єднується з системою покриття за допомогою окремих стержнів (підвісок).

Дано рекомендації щодо місць кріплення натяжних пристосувань та наведені конструктивні заходи для процесу введення затяжок і горизонтальних ферм. Запропоновано варіанти для конструкцій затяжок та горизонтальних ферм, розробені вузлові з’єднання для різних варіантів, включаючи опорні вузлові елементи. Оскільки складання покриття можливе як з окремих конструктивних елементів, так і з попередньо виготовлених граневих ферм, розроблені конструктивні рішення вузлів для обох варіантів.

Рекомендації по конструюванню і впровадженню орієнтовані на проектні та науково-дослідні установи.

Для непідкріплених покрить виконано порівняння варіантів. За цільову функцію прийнята маса 1 м2 покриття з обмеженнями по міцності і переміщенням вузлів. Керуючими параметрами прийнято геометричні характеристики і характер діючого навантаження. Оскільки конструкція покриття (рис. 1) це система граневих ферм, максимальні напруження визначали в трьох складових елементах граней, тобто в поясі, стояку та розкосі і відповідно цьому окремо призначали розмір перерізу кожного з елементів. Таким чином, було одержано три типорозміри елементів для непідкріпленних покрить і покрить, підкріплених затяжками. Для покрить з горизонтальними фермами кількість типорозмірів зросла вдвічі. Перерізи елементів визначали відповідно сортаменту труб (ГОСТ 10704-91), з урахуванням обмежень по міцності і переміщенням вузлів. Кут описаного кола покриття прийнято таким, що дорівнює 1200, кількість чарунок уздовж довжини і ширини покриття 12. Елементи підкріплення затяжки і горизонтальні ферми з підвісками розташовані в приопорній зоні покриття. Кількість затяжок прийнято 5, а кількість горизонтальних ферм 2, причому кожна горизонтальна ферма з’єднується з конструкцією покриття підвісками з арматурної сталі d=40 мм. Одержана залежність маси 1 м2 покриття від величини прольоту, яка близька до лінійної.

6

Досліджено характер напружено-деформованого стану непідкріпленої та підкріпленої конструкції з шарнірним обпиранням на краях від дії симетричного і несиметричного навантаження при різних габаритних розмірах покриття. Діюче у вертикальному напрямку навантаження інтенсивністю q=2 кН/м2 збиралось з площі чарунки і прикладалось у вузлах.

В результаті розрахунку виявлені закономірності напружено-деформованого стану для непідкріплених покрить і покрить, підкріплених затяжками і горизонтальними фермами. Визначений вплив елементів підкріплення на роботу покриття в цілому та особливості розподілу напружень в елементах покриття.

Встановлено, що найбільші максимальні розтягуючі і стискаючі напруження в елементах, а також горизонтальні і вертикальні переміщення вузлів для трьох конструктивних форм покриття спостерігаються при несиметричному навантаженні.

Як і передбачалось, введення в конструкцію покриття затяжок істотно зменшує напруження в елементах, тобто, в 3–4 рази при симетричному навантаженні і 1,5–2 рази при несиметричному навантаженні. Переміщення вузлів в основному зменшуються в 1,22 рази. Постановка затяжок дозволяє зменшити перерізи елементів покриття, в результаті чого досягається більш раціональне використання матеріалу.

Введення горизонтальних ферм, кожна з яких об’єднує по одній (нижній) грані покриття, також зменшує напруження в елементах і переміщення вузлів в конструкції, однак в меншій мірі ніж з введенням затяжок.

Для непідкріпленого покриття максимальні значення зусиль спостерігаються в середніх елементах нижнього поясу першої грані, причому, при несиметричному навантаженні зусилля в елементах дещо більші ніж при симетричному. Максимальні переміщення при несиметричному навантаженні також більші ніж при симетричному. Максимум вертикальних переміщень зафіксований у середньому верхньому вузлі нижньої грані, а максимум горизонтальних переміщень – у середньому опорному вузлі.

Аналіз напружено-деформованого стану покриття з затяжками вказує на те, що в ньому зусилля розподіляються більш рівномірно порівняно з нелінійним характером зміни зусиль в непідкріпленому покритті. При несиметричному навантаженні бачимо значне зниження максимальних зусиль, а відповідно і напружень в елементах покриття. Максимальні зусилля зафіксовані в тих же елементах і при тому ж навантаженні, що і для непідкріпленого покриття. В затяжках при несиметричному навантаженні зусилля значно менші ніж при симетричному. Максимальні переміщення так як і в непідкріпленому покритті при несиметричному навантаженні, більші ніж при симетричному. Таким чином постановка затяжок дещо зменшила деформативність

7

конструкції. Більш вагомо, незалежно від схеми прикладеного навантаження, знизились вузлові переміщення в нижніх гранях покриття.

Введення горизонтальних ферм порівняно з непідкріпленим покриттям змінило зусилля і переміщення. Максимальні значення зусиль мають місце в тих же елементах, що і для непідкріпленого покриття. Максимальні переміщення незалежно від схеми прикладеного навантаження зменшились, їх розташування майже співпадає з розташуванням максимальних переміщень в непідкріпленому покритті.

В ході чисельних досліджень виявлений вплив граничних умов на напружено-деформований стан покрить. Були проведені розрахунки для непідкріпленого покриття з такими конструктивними заходами: 1) з закріпленням опорних крайніх вузлів; 2) з повним закріпленням прямолінійного контура; 3) з подвійним збільшенням жорсткості контурних елементів.

В результаті було встановлено, що при поздовжньому закріпленні крайніх опорних вузлів максимальне зусилля в поясі зменшилось в 2 рази. При цьому значно збільшились зусилля в елементах кутової чарунки, а в поясному елементі зусилля змінилось навіть з розтягуючого на стискаюче. При поздовжньому закріпленні всіх вузлів контура картина напруженого стану набула найбільш гладкого вигляду. При цьому елементи нижнього поясу звільнились зовсім від зусиль, зусилля в інших поясах не зміннюють знаку і максимальне зусилля спостерігається в розкосі кутової чарунки. Що стосується впливу жорсткості елементів нижнього поясу, то збільшення цієї жорсткості в два рази майже не змінило картину розподілення зусиль, але максимальне зусилля зменшилось вдвічі.

У третьому розділі приведена методика розрахунку і результати чисельних досліджень загальної стійкості одношарових циліндричних стержневих покрить при дії рівномірно розподіленого навантаження.

Запропонована методика базується на теорії тонких суцільних циліндричних оболонок. При цьому стержнева конструкція покриття замінюється на суцільну оболонку шляхом адекватного підбору еквівалентних жорсткостей на згин і розтяг

, , (1)

де EJ і EA – відповідно згинальна і осьова жорсткості елемента стержневої оболонки; s – коефіцієнт заповнення сітки; a – розмір чарунки.

Граничні умови прийняті для випадку шарнірного обпирання:

(2)

де L – довжина оболонки уздовж твірної; R – довжина дуги.

8

Форма втрати стійкості апроксимується подвійним тригонометричним рядом

, (3)

після підстановки якого в рівняння стійкості

(4)

знайдене критичне навантаження

, (5)

що залежить від кількості півхвиль в окружному напрямку.

У рамках прийнятої розрахункової моделі (15) проведені чисельні дослідження стійкості сітчастих циліндричних покрить в залежності від геометричних та жорсткістних параметрів з визначення впливу параметрів і конструктивних схем на стійкість покриття, одержані області допустимих значень цих параметрів.

Розглянута оболонка, яка має прольот 36 м, стрілу підйому 9 м, радіус кривизни 22,5 м, розмір чарунки 3,011 м в трьох варіантах трубчастого перерізу (Е=206 ГПа):

1) dt=1945,5 мм, А=32,610-4 м2, J=14510-7 м4, Jкр=23410-7 м4;

2) dt=1685,5 мм, А=28,110-4 м2, J=92,910-7 м4, Jкр=18710-7 м4;

3) dt=1404,5 мм, А=19,210-4 м2, J=44,210-7 м4, Jкр=8810-7 м4.

Кількість чарунок уздовж твірної оболонки варіювалось в межах від 12 до 48, причому форма чарунки прийнята квадратною з розкосом.

Результати розрахунку за формулою (5) представлені на рис. 4 () у вигляді суцільних кривих, а кружочками позначені результати розрахунку, що одержані за допомогою програмного комплексу SCAD, які майже співпадають між собою.

Зі збільшенням кількості чарунок незалежно від прийнятого варіанта трубчастого перерізу, значення критичного навантаження зменшується, причому число півхвиль, як наслідок, має тенденцію до зниження.

На рис. 5 показані форми втрати стійкості третьої оболонки при трьох значеннях її довжини, які характеризуються однією півхвилею в напрямку твірної і різними кількостями півхвиль в напрямку дуги.

9

Встановлено, що значення критичного навантаження місцевої втрати стійкості набагато більші від значень критичного навантаження загальної втрати стійкості, в зв’язку з чим перевірка тільки місцевої втрати стійкості є недостатньою. Так для трьох розглянутих оболонок відношення значення критичного навантаження місцевої втрати стійкості до значення критичного навантаження загальної втрати стійкості відповідно дорівнюють: qм/qз=22,97/3,08 при L/a=12; qм/qз=10,98/1,36 при L/a=30; qм/qз=4,25/0,73 при L/a=48.

Досліджена також стійкість оболонок, підкріплених затяжками та горизонтальними фермами. Встановлено, що значення критичних навантажень підкріплених оболонок більші за відповідні значення непідкріплених оболонок. Зміна кількості півхвиль при введенні цих підкріплюючих елементів спостерігається тільки для випадку L/a=30. В інших випадках (L/a=12; 48) число півхвиль при введенні затяжок та горизонтальних ферм не змінюється. Підкріплення горизонтальними фермами незначно збільшили значення критичного навантаження. В покритті з затяжками змінилась форма втрати стійкості і критичне навантаження збільшилось на 6 17 %.

Визначені також граничні параметри оболонки за умови втрати стійкості. За фіксований параметр прийнято ширину оболонки. Причому змінювалась кількість чарунок уздовж довжини. Результати розрахунку представлені на рис. 6. Із графіка видно, що з підвищенням жорсткості стержнів і зменшенням довжини покриття, значення критичного навантаження збільшується. При зафіксованому значенні експлуатаційного навантаження, наприклад qе=2 кН/м2, визначається границя, яка розділяє область допустимих значень параметрів і область, за межами якої проектування оболонки стає недоцільним.

У літературі описуються сітчасті циліндричні оболонки з квадратною та ромбічною сіткою. Приводяться формули для розрахунку критичного навантаження. В дисертації співставлено значення критичних навантажень для оболонок з квадратними і трикутними сітками. Так для оболонки з квадратною сіткою (L=90,33 м, В=41,72 м, R=22,5 м, Е=206 ГПа, J=44,210-8 м4, А=19,210-4 м2, а=4,24 м) за формулою, що запропонована Г.І. Пшеничновим маємо qкр=0,022 кН/м2. Значення критичного навантаження, одержане за формулою (5) складає qкр=0,065 кН/м2. Ці значення значно відрізняються одне від одного, а обидва вони набагато менші ніж відповідне значення критичного навантаження, що одержане для циліндричної оболонки з трикутною сіткою (qкр=1,36 кН/м2). Як бачимо, конструкції покрить у вигляді оболонок з квадратною сіткою набагато менш стійкі, ніж оболонки з трикутною сіткою. Мала стійкість оболонки з квадратною сіткою пояснюється тим, що у своїй площині чарунка не має мембранної жорсткості і є майже геометрично змінною системою. Навпаки, трикутна сітка порівняно з згинальною має велику мембранну жорсткість, яка значно збільшує значення критичного навантаження. Таким чином

10

можна зробити висновок, що використання циліндричних оболонок з квадратною або ромбічною сіткою на практиці є небажаним.

Проведено аналіз напружено-деформованого стану в геометрично нелінійній постановці. Як і в лінійній постановці здійснювався перехід від сітчастої оболонки до суцільної шляхом заміни жорсткості при згині і розтягу стержнів сіткової конструкції на відповідно згинальну і мембранну жорсткість суцільної оболонки (D=sEJ/a, Eh/(1-2)=sEA/a).

Серединна поверхня циліндричної оболонки описувалась рівняннями

, , , (6)

де х1, х2 – криволінійні координати, що спрямовані уздовж твірної і за напрямком дуги циліндра.

Недосконалості вводились шляхом задання функції, яка збурює радіус

, (7)

за формою, що повторює форму лінійної втрати стійкості. У формулі (7) параметрами недосконалості є амплітуда А і число півхвиль n уздовж дуги циліндричної поверхні. При n - парному, недосконалість дає симетричне збурення поверхні, при n - непарному – кососиметричне.

Встановлено, що оболонка не має яскраво виявленого характеру зміни форми рівноваги. На кривих навантаження не має особливих точок – точок біфуркації і граничних точок, відсутня верхня і нижня критичні точки. У зв’язку з цим оболонка мало чутлива до недосконалостей. Разом з тим, значення критичної сили, яке одержане із лінійної теорїї стійкості є, безумовно, корисною інформацією, оскільки в околі цього значення жорсткість оболонки знижується в десятки і сотні разів і може бути орієнтиром вичерпання несучої здатності конструкції.

У четвертому розділі приводяться результати експериментальних досліджень моделі одношарового циліндричного стержневого покриття з метою перевірки теоретичних положень і визначення впливу різних систем і схем завантаження на загальний напружено-деформований стан конструкції. В процесі випробування вводились затяжки і горизонтальні ферми.

Модель виготовлена з розмірами в плані 2,41,8 м (М 1:20 до реальної системи). Кількість граней прийнята 6, кількість панелей 8, стріла підйому f=0,42 м. Це дозволило одержати оптимальний кут ?=47037. Елементи моделі запроектовані одного перерізу. В зв’зку з цим прийнята найбільш ефективна для цього варіанту розкісна решітка з нисхідними розкосами. Матеріал конструкції моделі сталь С245. Для засобів підкріплення (затяжок і підвісок) приймали стальні троси і арматуру діаметром 6 мм. Елементи виготовлено з гарячекатаних труб dзов=21 мм, dвн=15 мм. Ребра виконані нерозрізними, стояки і розкоси приєднані до ребер за допомогою косинок, що виконані з листового металу t=4 мм. Маса моделі склала 76 кг.

11

В якості вантажу прийнята цегла, що розміщувалась в підвісних кошиках, прикріплених до вузлів моделі. Навантаження було повним і однобічним, максимальне значення його на вузол склало 100 кг. Завантаження моделі виконувалось поетапно (кількість етапів дорівнювала 5).

Переміщення вимірювались за допомогою прогиномірів ПАО-6 і індикаторів ІГ-10. Відносні деформації фіксувались дротовими тензодатчиками опору ПКБ-10-200 (рис. 7, 8). Реєстрація показань тензодатчиків здійснювалась на цифровому тензометричному мості ЦТМ-5.

Для введення затяжок використовувалось три стальні троси і три гвинтові муфти. Інша схема передбачала дві горизонтальні ферми і шість додаткових стержнів.

Було встановлено характер розподілу напружень в елементах і переміщення вузлів в залежності від конструктивної форми і схеми завантаження.

Проведений комплекс досліджень і подальша обробка показань прогиномірів, індикаторів і тензодатчиків дозволили виявити такі закономірності напружено-деформованого стану конструкції.

Для системи з затяжками максимальні розтягуючі напруження були зафіксовані в розкосах, стискаючі в стояках. Це не спостерігалось для систем без підкріплень і з горизонтальними фермами, де максимальні напруження як на розтяг, так і на стиск були тільки в поясах. В системі з затяжками у верхній зоні було відмічено скорочення кількості стиснутих елементів (в поясах) як у чвертях покриття, так і в середній зоні, значення стискаючих напружень в порівнянні із системою без підкріплень зменшились в 1,52,4 рази.

Горизонтальні ферми істотно не вплинули на зменшення кількості стиснутих елементів, свій знак змінили тільки крайні елементи поясів у верхній зоні, значення стискаючих напружень зменшились у порівнянні із системою без підкріплень в 1,31,7 рази.

Аналізуючи роботу систем без підкріплень, з затяжками і з горизонтальними фермами, а також оцінюючи вплив конструктивних заходів на переміщення вузлів, треба відзначити, що всі три експериментальні системи при повному і однобічному завантаженнях поводяться неоднаково. Для системи з затяжками максимальні горизонтальні переміщення зафіксовані у верхній зоні. Це не спостерігалось для систем без підкріплень і з горизонтальними фермами, де максимальні переміщення відмічені тільки на опорах. В системі з затяжками за рахунок кріплення стальних тросів відсутні переміщення вузлів в опорній зоні.

Максимальні вертикальні переміщення для всіх трьох експериментальних систем при повному завантаженні спостерігались у верхній зоні, при однобічному завантаженні для систем з горизонтальними фермами відмічені в ділянці гребеня, для систем без підкріплень і з затяжками в нижніх гранях покриття.

12

Збільшення жорсткості системи за рахунок затяжок зменшило переміщення вузлів в середньому в 5,5 рази, а з введенням в систему горизонтальних ферм в 1,6 рази.

Характер розподілу і величина напружень і переміщень, одержані експериментально і за розрахунком показали їх задовільний збіг. Відхилення напружень в елементах для всіх розглянутих схем покриття не перевищували 10%, різниця переміщень склала 1113%.

У п’ятому розділі виконано техніко-економічне порівняння одношарових циліндричних стержневих покрить без підкріплення, підкріплених затяжками та горизонтальними фермами. Наведена оцінка ефективності використання підкріплених одношарових циліндричних стержневих покрить в порівнянні з плоскими і арочними системами та рекомендації по раціональному використанню циліндричних покрить.

Ефективність використання запропонованих покрить (розміри в плані 28,5624 м і 43,236 м) оцінювалась за витратами сталі, за вартістю конструкцій і за трудомісткістю монтажу.

Економічний аналіз показав, що за рахунок введення затяжок загальну вартість покрить і трудовитрати на монтаж знижено відповідно на 2028% і 2029%, з введенням горизонтальних ферм на 35% і 89%.

Порівняння з плоскими і арочними системами показало зниження загальної вартості покрить на 2533% і 1117%, з введенням затяжок на 46% і 3436%, з введенням горизонтальних ферм на 3036% і 1722%.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі наведено новий підхід у вирішенні науково-технічної проблеми створення ефективних одношарових циліндричних стержневих покрить. Основні результати, отримані в дисертаційній роботі, такі.

1. Удосконалені одношарові циліндричні стержневі покриття. Запропоновано варіанти підкріплення при введенні в систему затяжок та горизонтальних ферм.

2. Досліджено вплив елементів підкріплення на поведінку конструкції, отримані закономірності напружено-деформованого стану для різних схем покриття.

3. Запропоновані ефективні конструктивні форми вузлових з’єднань для систем, що складаються з окремих конструктивних елементів та з попередньо виготовлених граневих ферм.

4. Розроблена нова методика розрахунку загальної стійкості одношарових циліндричних стержневих покрить довільної форми. Виявлено вплив параметрів конструктивних схем на роботу покриття та закономірності процесу нелінійного деформування покриття.

13

5. За результатами дослідження загальної стійкості одержано аналітичну залежність критичного навантаження від геометричних і жорсткостних параметрів одношарового циліндричного стержневого покриття, достовірність якої доказана шляхом її тестування при розв’язанні конкретних задач стійкості за допомогою програмного комплексу. Показано, що такі покриття мало чутливі до недосконалостей.

6. Експериментальними дослідженнями на моделі виявлено вплив елементів підкріплення на напружено-деформований стан конструкції. Підтверджена ефективність покрить з затяжками та з горизонтальними фермами для всіх приведених розрахункових схем.

7. Економічний аналіз показав, що за рахунок введення затяжок загальну вартість покрить зменшено на 2028%, а з введенням горизонтальних ферм на 35%. Трудомісткість монтажу при цьому знижена відповідно на 2029% і 89%.

8. Обгрунтована ефективність застосування циліндричних систем в діапазоні вказаних параметрів. Встановлено, що порівняно з плоскими і арочними системами загальну вартість циліндричних непідкріплених покрить знижено на 2533% і 1117%, покрить, підкріплених затяжками на 46% і 3436%, а покрить, підкріплених горизонтальними фермами на 3036% і 1722%.

9. Результати досліджень впроваджені в Державному проектно-вишукувальному інституті “Вінницяагропроект” при проектуванні складських приміщень, у Вінницькому державному технічному університеті при проектуванні перекриття “Тенісного корту” та використані при написанні монографії “Металеві циліндричні стержневі покриття”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Свердлов В.Д., Сіянов О.І. Металеві циліндричні стержневі покриття. Вінниця: “Універсум-Вінниця”, 1999.134 с.

2. Свердлов В.Д., Бойчук О.Д., Сіянов О.І. Ефективні стержневі конструкції покрить // Вісник ВПІ, 1998. № 4.С. 20 24.

3. Сіянов О.І. Теоретичні та експериментальні дослідження одношарових циліндричних стержневих покрить // Вісник ВПІ, 2001.№ 3.С. 1318.

4. Гоцуляк Є.О., Сіянов О.І. Загальна стійкість одношарових циліндричних стержневих покрить // Вісник ВПІ, 2002.№ 1.С. 1419.

5. Свердлов В.Д., Сиянов А.И. Совершенствование цилиндрических стержневых систем покрытий // Труды Междунар. конф. “Теория и практика металлических конструкций”.Том 2. Донецк-Макеевка.1997.С. 3741.

14

6. Свердлов В.Д., Сіянов О.І., Бойчук О.Д. Проблема стійкості одношарових циліндричних стержневих покрить // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сб. науч. тр.Одесса: ОГАСА, 1999.С. 169 174.

7. Свердлов В.Д., Сіянов О.І. Залежність загальної стійкості від напружено-деформованого стану одношарового циліндричного стержневого покриття // Матеріали Української наук.-техн. конф. “Металеві конструкції”.Дніпропетровськ.2000.С. 6870.

8. Свердлов В.Д., Сіянов О.І. Одношарові циліндричні стержневі покриття (перспективи, проблеми, шляхи вирішення) // Матеріали республіканської наук.-техн. конф. “Індивідуальний житловий будинок”. Вінниця.2001.С. 1014.

9. Патент 35041А України, МПК 6 Е04В1/58. Опорний вузол одношарового циліндричного стержневого покриття / Сіянов О.І. (Україна). № 99084440; Заявл. 03.08.99; Опубл. 15.03.01. Бюл. № 2.7 с.

В роботі 1 автором здійснено узагальнення конструктивних рішень та сфери застосування одношарових циліндричних стержневих покрить (розділ 1), підбір перерізів і розрахунок вузлів (п. 2.4, 2.6), рекомендації по конструюванню (розділ 4). В роботі 2 проведено систематизацію результатів розрахунку. В роботі 8 виконані теоретичні і експериментальні дослідження покрить з урахуванням підкріплення. В роботах 5, 6 запропоновані варіанти по вибору оптимальної форми покрить. В роботі 7 виконано дослідження НДС і стійкості покрить. В роботі 4 виведена формула для визначення величини критичного навантаження, досліджена загальна стійкість і визначені граничні параметри покриття за умови втрати стійкості.

АНОТАЦІЯ

Сіянов О.І. Металеві одношарові циліндричні стержневі покриття. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 будівельні конструкції, будівлі та споруди. Відкрите акціонерне товариство Український науково-дослідний та проектний інститут сталевих конструкцій імені В. М. Шимановського, Київ, 2002.

Дисертація присвячена удосконаленню одношарових циліндричних стержневих покрить на основі розробки нових ефективних вузлових з’єднань та елементів підкріплення. Розроблені системи з затяжками та з горизонтальними фермами. Запропонована методика розрахунку загальної стійкості таких конструкцій. Надані результати чисельних і експериментальних

15

досліджень покрить з різними варіантами підкріплення і схемами навантаження. Визначені параметри і основні форми загальної втрати стійкості. Обгрунтована ефективність застосування нових систем. Сформульовані рекомендації по конструюванню і впровадженню.

Ключові слова: металеве одношарове циліндричне стержневе покриття, підкріплення затяжками і горизонтальними фермами, напружено-деформований стан, загальна стійкість.

АННОТАЦИЯ

Cиянов А.И. Металлические однослойные цилиндрические стержневые покрытия. Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 строительные конструкции, здания и сооружения. Открытое акционерное общество Украинский научно-исследовательский и проектный институт стальных конструкций имени В. Н. Шимановского, Киев, 2002.

Диссертация посвящена усовершенствованию однослойных цилиндрических стержневых покрытий на основе разработки новых эффективных узловых соединений и элементов подкрепления. Разработаны системы с затяжками и с горизонтальными фермами. Предложена методика расчета общей устойчивости таких конструкций. Приведены результаты численных и экспериментальных исследований покрытий с разными вариантами подкрепления и схемами нагружения. Определены параметры и основные формы общей потери устойчивости. Обоснована эффективность применения новых систем. Сформулированы рекомендации по конструированию и внедрению.

Содержание диссертации. Во введении обоснованы актуальность, научная новизна и практическая значимость работы, дана ее общая характеристика.

В разделе 1 приведен критический анализ однослойных цилиндрических стержневых покрытий, рассмотрены состояние вопроса и научные достижения в области применения и внедрения данных покрытий в Украине и за рубежом. Проведен анализ литературных источников, посвященных расчету и конструированию.

Раздел 2 посвящен усовершенствованию однослойных цилиндрических стержневых покрытий, приведены результаты численных исследований напряженно-деформированного состояния подкрепленных и неподкрепленных покрытий, разработаны мероприятия по повышению общей устойчивости покрытия и эффективные конструктивные формы узловых соединений, приведены практические рекомендации по конструированию и внедрению.

16

С целью увеличения пролета предложены мероприятия по повышению общей устойчивости покрытия. Разработаны системы с затяжками и с горизонтальными фермами, а также эффективные узловые соединения для этих систем. Исследовано влияние параметров и элементов подкрепления на поведение конструкции.

В разделе 3 разработана методика расчета общей устойчивости однослойных цилиндрических стержневых покрытий. Получена аналитическая зависимость критической нагрузки общей потери устойчивости от геометрических и жесткостных параметров однослойного цилиндрического стержневого покрытия, достоверность которой доказана путем ее тестирования при решении конкретных задач устойчивости с помощью програмного комплекса. Приведены результаты численных исследований общей устойчивости однослойных цилиндрических стержневых покрытий. Получены характерные формы общей потери устойчивости и установлена зависимость между геометрией конструкции и критической нагрузкой. Показано, что такие оболочки мало чувствительны к несовершенствам.

Раздел 4 посвящен результатам экспериментальных исследований модели однослойного цилиндрического стержневого покрытия.

Выполненные экспериментальные исследования на модели подтвердили принятые теоретические предпосылки и определили степень влияния различных систем и схем загружения на напряженно-деформированное состояние конструкции. Установлен характер распределения напряжений в елементах и перемещения узлов в зависимости от конструктивной схемы и схемы загружения. Доказана эффективность покрытий с затяжками и с горизонтальными фермами для всех приведенных расчетных схем.

В разделе 5 выполнено технико-экономическое сравнение однослойных цилиндрических стержневых покрытий без подкрепления, подкрепленных затяжками и горизонтальными фермами.

На основе экономического анализа обоснована эффективность применения цилиндрических систем, показано преимущество их перед плоскими и арочными конструкциями.

Эффективные решения представлены в рекомендациях по конструированию и внедрению.

Ключевые слова: металлическое однослойное цилиндрическое стержневое покрытие, подкрепление затяжками и горизонтальными фермами, напряжено-деформированное состояние, общая устойчивость.

17

АBSTRACT

Siyanov A.I. The metal one-layer cylindrical core coverings. Manuscript.

Thesis for a competition of a scientific degree of the Candidate of Technical Sciences by speciality 05.23.01 building construction, buildings and structures. Open Joint-Stock Company V. Shimanovsky Ukrainian Research and Design Institute of Steel Construction, Kyiv, 2002.

The thesis is dedicated to the perfection of one-layer cylindrical core coverings on the basis of new effective knot joints and reinforcement elements. The systems with straining and horizontal gerders are developed. Methods of general stability calculation of such structures are suggested. The results of numerical and experimental research of coverings with different variants of reinforcement and various loading schemes are presented. The parametres and basic forms of general loss of stability are defined. The effectiveness of the application of the new systems is specified. Recommendations on the construction and introduction are formulated.

Keywords: metal one-layer cylindrical core covering, reinforcement by strainings and horizontal gerders, stress-deformed state, general stability.

Підписано до друку 16.04. 2002. Формат 6084 1/16

Ум. друк. арк. 1,25. Тираж 100 прим. Зам. № 3.

Надруковано у друкарні ТОВ “Видавництво “Сталь”.