ДОНБАСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА І АРХІТЕКТУРИ

УДК 624.072.327

Гібаленко Вікторія Анатоліївна

РОБОТА ЖОРСТКИХ НИТОК

СКРІЗНОГО ПЕРЕРІЗУ

05.23.01 - Будівельні конструкції, будівлі та споруди

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Макіївка - 2000

Дисертація є рукописом.

Робота виконана на кафедрі "Металеві конструкції і матеріалознавство" Донбаської державної академії будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України

Науковий керівник: | Доктор технічних наук, професор

Мущанов Володимир Пилипович,

Донбаська державна академія будівництва і архітектури, завідувач кафедрою теоретичної і прикладного механіки.

Офіційні опоненти: | Доктор технічних наук, професор

Казакевич Михайло Ісаакович,

Дніпропетровський державний технічний університет залізничного транспорту, завідувач кафедрою мостів;

Кандидат технічних наук

Лебедіч Ігор Миколайович,

ВАТ Український науково-дослідний інститут "УкрНДІпроектстальконструкція", начальник відділу нових типів конструкцій (м. Київ).

Провідна установа: | Одеська державна академія будівництва і архітектури, кафедра металевих та дерев'яних конструкцій, Міністерство освіти і науки України.

Захист відбудеться "27" квітня 2000 року об 1100 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 12.085.01 у Донбаській державній академії будівництва і архітектури за адресою: 86123, Донецька область, м.Макіївка-23, вул. Державіна, д.2, I навчальний корпус, Зал засідань.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Донбаської державної академії будівництва і архітектури.

Автореферат розісланий " 24 " березня 2000 року.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат технічних наук, доцент А.М. Югов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. У сучасному будівництві рішення задачі підвищення ефективності і розширення можливості використання передових методів проектування і засобів будівництва засновано на вивчанні дійсної роботи споруди і використанні методів раціонального конструювання.

Згинально-жорсткі нитки, які мають високі техніко-економічні показники, застосовуються в легких покриттях, дозволяючи одержати економію трудовитрат і капітальних вкладень.

Результати технічного обстеження подібного роду покриттів свідчать про необгрунтовано завищений при проектуванні запас несучої спроможності, як окремих конструктивних елементів, так і всієї споруди в цілому, що свідчить про недостатню вивченість цих конструкцій і призводить до завищених матеріаловитрат.

Слід зазначити відсутність ефективних методик, що дозволяють виконати урахування впливу послідовності монтажу на напружено-деформований стан (НДС) несучих елементів покриття.

Тому, актуальною проблемою є вивчення дійсної роботи жорстких ниток скрізного перерізу на різних етапах монтажу з метою зменшення витрат сталі і підвищення ефективності використання економічно вигідних і архітектурно виразних конструктивних рішень у проектуванні і розробці методів будівництва.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у рамках програми 0.55.01.121 "Розробити і впровадити прогресивні засоби технічного переозброєння за рахунок максимального використання конструкцій будівель і споруд, які експлуатуються", а також державної теми Д-1-2-99 "Удосконалення методів розрахунку і проектування конструкцій у виді оболонок і пластин".

Ціль і задачі дослідження. Виявити особливості напружено-деформованого стану жорстких ниток скрізного перерізу, які обумовлені впливом послідовності монтажу і фактичних характеристик жорсткості гратів, розробити на цій основі методику їх розрахунку і проектування.

Для досягнення поставленої цілі необхідно вирішити такі задачі:

1. Виконати аналіз існуючих методів розрахунку, проектування і монтажу жорстких ниток.

2. Розробити чисельну методику розрахунку досліджуваної конструкції з урахуванням геометричної нелінійності і фактичної послідовності монтажу.

3. Провести натурні обстеження й експериментальні дослідження моделі жорсткої нитки з метою підтвердження теоретичних передумов і допущень, прийнятих при розробці методики розрахунку.

4. Розробити рекомендації з розрахунку і проектування жорстких ниток скрізного перерізу.

Наукова новизна роботи:

- розроблена чисельна методика розрахунку досліджуваної конструкції покриття, з урахуванням геометричної нелінійності і послідовності монтажу;

- на підставі виконаних натурних і експериментальних досліджень визначена поведінка, встановлен характер і отримані дані про НДС жорстких ниток скрізного перерізу для різноманітних схем монтажу і навантаження при зміні параметрів жорсткості гратів;

- розроблена методика розрахунку і проектування, що враховує реальну послідовність монтажу, яка дозволяє виявити резерви несучої спроможності існуючих покриттів, обгрунтувати технічні рішення при проектуванні жорстких ниток.

Практичне значення отриманих результатів. Матеріали досліджень використані: при розробці комплексу заходів щодо забезпечення нормального функціонування конструкцій покриття плавбасейну СК “Олімпійський” у Москві; при проведенні проектно-вишукувальних робіт на виготовлення і монтаж елементів покриття пансіонату ВАТ “Донецькоблгаз” у сел. Мелекіно.

Особистий внесок здобувача. Наведені в дисертаційній роботі результати досліджень отримані здобувачем самостійно. Особистий внесок автора полягає в наступному: участь у проведенні натурних обстежень; розробка моделі конструкції і проведення на ній експериментальних досліджень; виконання чисельних розрахунків конструкції; статистичне опрацювання інформації, отриманої при обстеженнях, іспитах і чисельних дослідженнях; систематизація і науковий аналіз отриманих результатів; розробка методики розрахунку жорстких ниток з урахуванням геометричної нелінійності і послідовності монтажу.

У публікаціях із співавторами особисто здобувачем виконано: удосконалення чисельної методики розрахунку жорстких ниток скрізного перезізу [1], перерахунок несучих конструкцій покриття за результатами натурних обстежень [3], експериментальне дослідження НДС моделі жорсткої нитки [4], рекомендації по проектуванню досліджуваної конструкції [8].

Апробація роботи. Основні положення дисертаційної роботи докладались на Міжнародній науково-технічній конференції “Металобудівництво-96” у Макіївці, 1996 р., на Міжнародному симпозіумі “Сучасні будівельні конструкції з металу і деревини” в Миколаїві, 1997 р., на Міжнародній конференції “Теорія і практика металевих конструкцій” у Макіївці, 1997 р., на наукових семінарах кафедри "МКіМ" ДонДАБА у 1998, 1999 роках.

Публікації. По темі дисертації опубліковано вісім друкарських робіт, що відбивають її основний зміст.

Структура й обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох глав, основних висновків, списку використаної літератури з 135 найменувань, трьох додатків.

Робота викладена на 170 сторінках , у тому числі 102 сторінки основного тексту, 14 сторінок списку використаної літератури, 19 сторінок з 42 рисунками і 5 таблицями, 35 сторінок додатків.

ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність теми, сформульовані ціль і задачі дослідження, наукова новизна і практичне значення роботи, подана її загальна характеристика.

У першій главі надано огляд існуючих об'єктів, покриття яких виконано у формі жорстких ниток, виконано аналіз методик їх розрахунку.

Аналіз конструктивних форм показує, що в третині розглянутих споруджень застосовані висячі ферми. Прикладами споруд, у яких покриття виконані із згинально-жорстких елементів є Палац спорту у Вільнюсі, ресторан у Ялті, плавальний басейн спорткомплексу “Олімпійський” у Москві, павільйон атракціонів у Великобританії, Олімпійський плавбасейн у Токіо і т.д..

Якщо жорстка нитка виконана у вигляді висячої ферми, то найбільше раціональним є двостадійний засіб її монтажу. На першому етапі верхній пояс ферми працює як гнучка нитка, сприймаючи постійне навантаження, при цьому окремі панелі нижнього поясу розімкнуті. Далі, на другому етапі, замикаючи нижній пояс, завантажують його тимчасовим навантаженням (технологічним, сніговим і т.д.).

Зараз зростає інтерес до ниток кінцевої жорсткості і пропонуються на їхній основі нові системи покриттів.

Серед закордонних вчених, що займалися розробкою теорії висячих конструкцій, необхідно відзначити роботи Ф. Отто, Х. Рюле, К. Шлейера, Х.К. Банделя, А. Скорделиса та ін.

Розрахунком висячих систем займалися і займаються в країнах СНД Качурін В.К., Стрєлецький М.С., Кірсанов М.М., Москальов М.С., Шимановський В.М., Веденіков Г.С., Телоян О.Л., Чаадаєв В.К., Казакевич М.І., Перельмутер А.В. і ін.

Проте застосовувані методики не враховують різниці між розрахунком жорстких ниток суцільного і скрізного перерізів, тип гратів, характеристики жорсткості, що позначається, в остаточному підсумку, на перерозподілі зусиль в елементах; не повною мірою враховуються особливості роботи конструкції при двостадійному її завантажуванні постійним, а потім тимчасовим навантаженнями.

Виконаний раніше аналіз проведених теоретичних досліджень і конструктивних форм жорстких ниток дозволив сформулювати основні задачі дослідження.

У другій главі надані результати чисельних досліджень роботи жорстких ниток скрізного перерізу. Для цього був розроблений чисельний метод розрахунку досліджуваної конструкції з урахуванням геометричної нелінійності і послідовності монтажу, реалізований у виді алгоритму розрахунку “RIGLAT” у кодах язика Turbo-Pascal 7.0 для персональних ЕОМ, в основу якого закладений метод кінцевих елементів у реалізації, викладеній в роботах В.П. Мущанова.

На першому етапі розрахунку здійснюється запровадження основних параметрів задачі: число вузлів, елементів, дані про типи елементів, вимоги до розрахунку (урахування геометричної нелінійності або послідовності монтажу, або необхідне урахування обох факторів).

Далі виконується введення координат вузлів, даних про елементи, геометричні характеристики їх перерізів, опорні закріплення, число, характер і розмір діючих навантажень. При цьому геометричні характеристики перерізів елементів, відсутніх у початковій розрахунковій схемі, задаються нульовими.

Урахування геометричної нелінійності здійснюється пошаговим навантаженням у сполученні з простими ітераціями.

При розрахунку з урахуванням багатостадійності монтажу виконується відновлення початкової розрахункової схеми. Вся інформація про НДС початкової розрахункової схеми зберігається у виді масивів вузлових переміщень і зусиль в елементах.

Теоретичні дослідження роботи конструкції здійснювалися на прикладі жорсткої нитки з пролітом L = 60 м, стрілою провисання f = 1/10 L, при цьому змінювалися характеристики жорсткості і схеми навантаження. Розрахунок нитки здійснювався із використанням алгоритму “RIGLAT”.

Для одержання результатів чисельних досліджень в узагальненому вигляді, що надалі послужили для розроблення методики проектування подібних конструкцій, застосована система безрозмірних параметрів, деякі з яких застосовувалися в роботах Н. М. Кірсанова, О.Л.Телояна. Безрозмірні параметри:

- коефіцієнт, що залежить від типу перерізу жорсткої нитки;

- коефіцієнт деформативності;

- жорсткість фіктивної стінки ( = 0,00040,002 - область рішення для жорстких ниток скрізного перерізу; = 0,010,02 - область рішення для ниток суцільного перерізу);

- максимальний відносний угин; n - число відправних марок;

- коефіцієнт співвідношення площ поясів жорсткої нитки;

- приведений згинальний момент у перерізі, де

А, I - площа і момент інерції перерізу жорсткої нитки; E - модуль пружності матеріалу нитки; f - стріла провисання; L - проліт нитки; h - висота перерізу нитки; Nq, Np - зусилля від постійного і тимчасового навантажень; tфікт. - фіктивна товщина стінки нитки скрізного перерізу; max - угин нитки; Авп, Анп - площа верхнього і нижнього поясів нитки; Мmax - максимальний згинальний момент у перерізі.

Досліджувана нитка розраховувалася на наступні схеми навантаження: 1 - постійне навантаження + тимчасове рівномірно-розподілене навантаження по всьому прольоту (F1); 2 - постійне навантаження + тимчасове рівномірно-розподілене навантаження на половині прольоту (F2); 3 - постійне навантаження + тимчасове нерівномірно-розподілене навантаження по всьому прольоту (F3).

Проведені чисельні дослідження з використанням системи безрозмірних параметрів дозволили оцінити вплив числа відправних марок (n), жорсткості фіктивної стінки (), схеми навантаження на характер НДС жорсткої нитки.

Збільшення відносного угину нитки () у три рази (у діапазоні зміни значень жорсткості фіктивної стінки = 0.00040.02) призводить до пропорційного росту приведеного згинального моменту ( ), розмір якого може зростати до 40% для усіх схем навантаження. При двостадійному монтажі, якщо тимчасове навантаження прикладене на половині прольоту, значення приведеного згинального моменту ( ) зростають у 2 - 2.5 рази в порівнянні з двома іншими схемами навантаження (рис. 1).

Послідовність монтажу і число відправних марок n надають суттєвий вплив на розмір приведеного згинального моменту . При послідовному замиканні вузлів нижнього поясу (число відправних марок n=4, n=3) згинальний момент, що виникає після додатку максимального тимчасового навантаження (1 схема навантаження), у 8-10 разів менше в порівнянні з одностадійним монтажем. При цьому спостерігається ріст значень відносного угину до 35%, розпору до 16%, для 2-ї схеми навантаження (тимчасове навантаження на половині прольоту) - на 25% і 13% відповідно.

Збільшення відносного угину до 10 разів призводить до поступового зниження розпору на 17-20% для усіх схем навантаження при двостадійному монтажі; якщо ферма монтується одноетапно, розпір зменшується до10% (рис. 2) при різних значеннях жорсткості фіктивної стінки ().

Збільшення жорсткості фіктивної стінки призводить до зменшення розпору до 17-20% при двостадійному монтажі і до 10%, якщо ферма монтується одноетапно. До 70% зростають значення приведеного згинального моменту при підвищенні жорсткості фіктивної стінки, якщо конструкція складається з 4-х або 3-х відправних марок (n=4, n=3). При n=1, коли значення жорсткості стінки максимальні (max), згинальний момент із зростанням відносного угину в 3 рази змінюється усього на 10%.

Згинальна жорсткість перерізу не робить істотного впливу на зміну розпору: при двостадійному монтажі конструкції і зміні у межах 0.05 0.75 значення параметра r, який характеризує розпір, для верхнього поясу зменшуються на 10-20%, а в зоні тривалих проектних рішень (0,15 0,28)

усього на 3-5%. При одностадійному монтажі (n=1) значення розпору зменшуються до10%, у зоні тривалих проектних рішень до 2,5%.

Рис.1. Залежності приведеного згинального моменту (m) від відносного

угину ( при різних значеннях жорсткості фіктивної

стінки (), число відправних марок n=4,3,1

Рис.2. Залежності коефіцієнта деформативності (r) від відносного

угину ( при різних значеннях жорсткості фіктивної

стінки (), число відправних марок n=4,3,1

При збільшенні жорсткості фіктивної стінки (до 0,01) поведінка жорсткої нитки скрізного перерізу близька до НДС жорсткої нитки суцільного перерізу, що підтверджується порівняльними результатами розрахунку по загальноприйнятим методикам. При зменшенні жорсткості фіктивної стінки ( 0,01) у розрахунках НДС і призначенні початкових перерізів нитки необхідно враховувати реальну жорсткість гратів конструкції.

Як показав виконаний регресійний аналіз, отримані залежності безрозмірних параметрів можуть бути з достатньою точністю апроксимовані поліномами 2-го ступеню і подані аналітичними залежностями, наданими на рисунках 1, 2.

У третій главі надані результати натурних обстежень висячих ферм покриття плавбасейну спорткомплексу “Олімпійський” і експериментальних досліджень моделі жорсткої нитки скрізного перерізу.

У задачі експерименту входило:

1.

1.

1.

1.

1.

Об'єктом натурного дослідження були висячі ферми покриття плавального басейну с/к “Олімпійський”, які виконані з прокатних профілів: висота ферм h = 2.5 м, стріла провисання f = 1/6 прольоту. У розрахунковому плані ферми представляють собою: на 1-му етапі - гнучкі нитки (тому що панелі нижнього поясу частково розімкнуті), що сприймають постійні навантаження, на 2-му етапі - висячі ферми або нитки кінцевої жорсткості, які виникли після замикання вузлів нижнього поясу і працюють на сприйняття тимчасових навантажень. Результати розрахунку, які отримані за чисельною методикою, показують задовільну збіжність із даними геодезичної зйомки (розбіжності значень прогинів складають 7%).

Виконані дослідження дозволили зробити висновок, що несучі конструкції ферм були виконані з великим запасом міцності (резерв несучої спроможності для елементів ферм склав 60 - 78%). Це підтверджує той факт, що робота подібних конструкцій недостатньо вивчена і, що необхідно продовжувати дослідження поведінки висячих ферм при різноманітних схемах монтажу і навантаження.

З цією ціллю було вирішено для більш повного вивчення роботи жорстких ниток скрізного перерізу виготовити відповідно до законів фізичної подоби модель існуючої ферми покриття плавального басейну "Олімпійський" (масштаб М 1:6) і провести на ній усі необхідні експериментальні дослідження для рішення вищевказаних задач.

Модель ферми окреслена по квадратній параболі: проліт L = 15.22 м, стріла провисання f = 2.268 м, висота ферми h = 0.417 м. Пояси ферми виконані з листової сталі завширшки 60 мм і завтовшки 6 мм. Розкоси з рівнополицького кутика 20 х 3 мм. Матеріал ферми - маловуглецева сталь. Випробовувану ферму підвішували до спеціально виготовлених металевих колон висотою 4.7 м. Регулювання податливості опор здійснювалося за допомогою фаркопфа, улаштованого в опорному вузлі. Діапазон зміни горизонтальних переміщень у ході експерименту склав 5 - 20 мм.

Модель ферми досліджувалася в пружній стадії роботи матеріалу на статичні навантаження.

Під час іспиту вимірювали відносні деформації поясів і розкосів (дротовими тензодатчиками опору з базою 20 мм), а також прямовисні і горизонтальні переміщення (за допомогою прогиномірів системи Максимова ПМ-3 із ціною поділки 0.1 мм і системи ПАО-6 із ціною поділки 0.01 мм відповідно). Схема розміщення тензодатчиків і прогиномірів приведена на рис. 3.

Рис. 3. Схема розташування вимірювальних приладів

На елементах ферми тензодатчики були встановлені: на верхньому і нижньому поясах поодиноко посередині листової смуги, на розкосах - на нейтральних осях полок кутика. При замиканні нижнього поясу тензодатчики доклеювалися на панелях нижнього поясу. Відносні деформації замірялися 100-ми дротовими тензодатчиками опору. Реєстрація показань тензодатчиків здійснювалася на комплексі СІІТ-3.

Відповідно до поставлених задач досліджень були виконані наступні схеми монтажу і навантаження конструкції (рис. 4): I - нижній пояс ферми був розімкнений, вона працювала як гнучка нитка; II - нижній пояс ферми замикали через панель, що дало можливість розглянути вплив кількості відправних марок на НДС верхнього поясу; III - ферма складалася з 4-х відправних марок, тому що нижній пояс був розімкнутий у трьох панелях; IV - нижній пояс цілком замкнутий, ферма працювала як згинально-жорсткий елемент; V – були поставлені додаткові розкоси, щоб виявити залежність НДС поясів ферми при зміні жорсткості гратів.

Рис. 4. Схеми монтажу і навантаження моделі

Для всіх схем монтажу навантаження прикладали поетапно у вузли верхнього поясу ферми (постійне - 750 Н, тимчасове – 250Н).

Отримані результати розподілу напружень в елементах ферми, показані на рисунках, являють собою математичне очікування, обчислене на основі статистичного опрацьовування результатів 5 вимірів.

При опрацьовуванні результатів вимірів напружень в елементах ферми виключено вплив згинальних моментів, обумовлених величиною вузлового ексцентриситету, що не враховувалося проведеним чисельним теоретичним розрахунком.

Для оцінювання впливу поетапного монтажу конструкції на НДС поясів ферми і переміщення було виконане порівняння результатів двох варіантів монтажу - двостадійного й одностадійного. Отримано, що максимальний угин при двостадійному монтажі в середині прольоту й у чвертях на 30% і 12% відповідно більше ніж при одностадійному. При одностадійному монтажі напруження у верхньому поясі ферми як розтягувальні, так і стискальні; у центральній частині прольоту пояс стиснутий, що не спостерігається при двостадійному монтажі, де всі елементи поясу розтягнуті і зміна значень напружень не перевищує 20% (рис.5а). Напруження в нижньому поясі при двостадійному монтажі в 15 разів менше, ніж при одностадійному (рис.5б).

Рис. 5. Розподіл напружень у поясах ферми:

а - верхній пояс; б - нижній пояс.

Таким чином, двостадійний монтаж при повному завантаженні постійним і тимчасовим нерівномірно-розподіленим навантаженнями дозволяє повніше використовувати роботу верхнього поясу на розтяг і зменшити навантаження на нижній пояс ферми.

Вирішуючи другу задачу дослідження - визначення впливу числа фіктивних шарнірів на роботу конструкції жорсткої нитки, було здійснено для кожної із чотирьох схем монтажу постійне навантаження. Аналізуючи графіки прямовисних переміщень верхнього поясу ферми для I - IV схем монтажу, треба відзначити, що конструкція на всіх чотирьох схемах монтажу при пропорційному прикладанні навантаження поводиться геометрично нелінійно.

Мінімальні переміщення для IV-ї схеми монтажу = 16.5 мм або 1/1000 прольоту (рис.6).

При аналізі напружень у верхньому поясі для чотирьох схем монтажу спостерігається характерна картина поведінки гнучкої нитки з незамкненим або частково замкненим нижнім поясом (I-III схеми), коли пояс працює на розтяг і максимальні напруження дорівнюють 45 Н/мм2 у приопорній зоні на першій схемі монтажу, далі по всьому прольоту напруження змінюються незначно в межах 5-10%.

Рис. 6. Вертикальні переміщення верхнього поясу ферми

на I -IV схемах монтажу

Що ж стосується IV-ї схеми монтажу, коли нижній пояс цілком замкнутий і ферма працює як згинально-жорсткий єлемент, у центральній частині отримані стискальні напруження, що досягають максимуму в центі прольоту і дорівнюють 23 Н/мм2. При замиканні нижнього поясу (II-IV схеми монтажу) розтягувальні напруження в елементах, що включалися до роботи, зростали. На приопорних ділянках, на II - III схемах монтажу, напруження були від'ємними (IIсхема = IIсхема = -2 Н/мм2), доки нижній пояс цілком не замкнули і напруження змінили знак.

Можна зробити висновок, що найменш конструктивно вигідним із розглянутих чотирьох схем монтажу є варіант, при якому нижній пояс замкнутий через панель (II схема монтажу).

Збільшення жорсткості гратів за допомогою додаткових розкосів (V схема монтажу) призводить до зменшення провисання конструкції у два рази, сприяє більш активній роботі верхнього поясу на розтяг, зменшенню розтягувальних напружень у нижньому поясі: напруження в поясах знизилися на 41-44%. У верхньому поясі спостерігається скорочення кількості стиснутих елементів у центральній частині прольоту і зменшення значень стискальних напружень у 7 разів у порівнянні з IV схемою монтажу. Збільшення жорсткості гратів висячої ферми наближає її до подібної поведінки з ниткою суцільного перерізу.

Порівнювався вплив податливості опор на НДС ферми при одностадійному і двостадійному монтажах. При одностадійному монтажі прямовисні переміщення при податливій опорі зросли в 7 разів, у центральній частині прольоту елементи верхнього поясу стали стисненими, що не спостерігалося при нерухомих опорах, коли весь пояс був розтягнутий. При двостадійному монтажі прямовисні переміщення при податливій опорі зросли також у 7 разів (величина переміщень при одностадійному монтажі більше ніж при двостадійному), верхній пояс по всьому прольоті залишився розтягнутим і різниця показань напружень склала 14% , крива вигину напружень у нижньому поясі характеру не змінила (у середньому зростання напружень склало 55%).

Урахування податливості опор для ферм подібного виду при двостадійному монтажі в порівнянні з одностадійним призводить до зменшення прямовисних переміщень у верхньому поясі на 12%, зниженню напружень у нижньому поясі в 20 - 25 разів.

На напруження, що виникають в елементах ферми, впливає згинальний момент, обумовлений величиною вузлового ексцентриситету, що залежить від конструктивного рішення вузла. Відмінність теоретичного розрахунку від експериментальних даних може досягати 10 15%.

Порівняння значень напружень і переміщень, отриманих у результаті чисельного розрахунку, показує, що характер їхнього розподілу і значення відповідають експериментальним даним. Так, експериментально отримані прямовисні переміщення верхнього поясу більше чисельних значень на 5 7% для всіх схем монтажу. Розбіжності значень напружень по нижньому поясу й у розкосах склала 2-8%. Це є підтвердженням правильно розробленого чисельного методу розрахунку, що дозволяє точніше розраховувати НДС жорстких ниток скрізного перерізу при двостадійному монтажі.

У четвертій главі наведені рекомендації з розрахунку і проектування жорстких ниток.

На підставі виконаних експериментальних та чисельних досліджень у якості початкових параметрів, що задаються на 1-му етапі розрахунку, рекомендується прийняти: стріла провисання: f = (0.1 0.06)L; кількість відправних марок: n=4; висота: h = (0.033 0.025)L; коефіцієнт, що залежить від типу перерізу жорскої нитки: = 0.2; жорсткість фіктивної стінки: = 0.0008; сумарна площа поясів жорсткої нитки: ; співвідношення площ поясів: . Елементи нитки рекомендується виконувати з прокатних профілів.

Розрахунок конструкції виконується в два етапи.

На першому етапі, використовуючи дані теоретичних досліджень, наданих у другій главі, визначають значення згинального моменту M і поздовжньої сили N. При цьому розрахунок ведеться для двох засобів надання тимчасового навантаження: а) тимчасове рівномірно-розподілене по всьому прольоту (для визначення Nmax); б) тимчасове розподілене на половині прольоту (для визначення Mmax).

Задаємося значенням відносного параметра навантаження “р*” для різноманітних співвідношень постійного і тимчасового навантажень (q/p):

;

І використовуємо залежності між відносним параметром навантаження "р" і параметром відносних угинів ("pN* - (EA)" і "pM* - (EI)") відповідно до побудованих графіків (рис.7).

Далі визначаємо відповідні значення відносних угинів (EA) і (EI) і для заданого числа відправних марок n і жорсткості фіктивної стінки визначаємо значення розрахункових сполучень поздовжньої сили N і згинального моменту M: Nmax - Mвідпов.; Mmax - Nвідпов. Для знайдених величин сполучень N і M визначаємо значення поздовжніх зусиль у верхньому і нижньому поясах нитки:

;

де - коефіцієнт, що враховує перерозподіл зусиль від згинального моменту М між верхнім і нижнім поясами (залежить від числа панелей і прольоту);

, - відстань від центру ваги складового перерізу до центру ваги перерізу верхнього і нижнього поясів відповідно;

k =1,1 - коефіцієнт, що враховує вплив виникаючих згинальних моментів, обумовлених розцентровкою у вузлах.

На другому етапі виконується остаточний розрахунок жорсткої нитки і покриття в цілому на ЕОМ. Для цих цілей рекомендується застосовувати алгоритм розрахунку “RIGLAT”. Як вихідні дані використовуються значення, отримані в результаті першого етапу розрахунку.

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблена чисельна методика розрахунку конструкцій у геометрично нелінійній постановці для жорстких ниток скрізного перерізу довільної геометрії і проектних навантажень із будь-якою кількістю аналізованих розрахункових схем, обумовлених фактичною послідовністю монтажу.

2. Виконані за допомогою запропонованої системи безрозмірних параметрів (, m, n, , r, ), що встановлюють залежність між навантаженнями, жорсткістними і геометричними характеристиками, чисельні дослідження дозволяють встановити основні параметри НДС конструкції, виключаючи фактор масштабності при проектуванні. При проведенні досліджень у діапазоні зміни значень жорсткості фіктивної стінки = 0.00040.02 установлені такі закономірності:

- послідовність монтажу і число відправних марок n надають суттєвий вплив на НДС елементів жорсткої нитки. Використання двостадійного монтажу дозволяє зменшити згинальний момент у 8-10 разів у порівнянні з одностадійним монтажем;

- збільшення жорсткості фіктивної стінки призводить до зниження розпору до 17-20% при двостадійному монтажі і до 10%, якщо ферма монтується одностадійно.

Рис. 8. Залежності між відносним параметром навантаження "р"

і параметром відносних угинів ("pN* - (EA)" і "pM* - (EI)")

для 1 схеми навантаження

3. Виконані експериментальні дослідження на натурних конструкціях покриття плавбасейну "Олімпійський" у Москві дозволили уточнити їх дійсний НДС, обумовлений двостадійним монтажем, фактичними жорсткостними характеристиками гратів. Встановлено, що запас несучої спроможності для елементів ферм склав 60-78%.

4. Проведені експериментальні дослідження великомасштабної моделі показали, що при двостадійному монтажі урахування податливості опор призводить до:

- уточнення величин напружень у верхньому поясі на 14%, у нижньому - до 55%;

- зменшення прямовисних переміщень до 12%, зниження напружень у нижньому поясі в 20 - 25 разів (в порівнянні з одностадійним монтажем);

5. У результаті експериментальних і теоретичних досліджень жорсткої нитки скрізного перерізу встановлено що:

- при двостадійному монтажі для всіх аналізованих розрахункових схем у верхньому поясі виникають тільки розтягуючі напруження, що дозволяює найбільш повно використовувати матеріал конструкції;

- найбільш раціональна кількість відправних марок, яка призводить до рівномірного розподілу переміщень і зусиль в елементах по довжині жорсткої нитки скрізного перерізу, дорівнює чотирьом (n = 4);

- виникаючий у вузлових з'єднаннях згинальний момент, обумовлений вузловим ексцентриситетом, призводить до збільшення основних напружень на 10-15%;

- максимальні відхилення експериментально отриманих величин напружень і прогинів від теоретичних значень не перевищували 7-10%.

6. Розроблена методика розрахунку і проектування досліджуваних конструкцій і подана у вигляді рекомендацій.

Основні положення дисертації

опубліковані в наступних роботах:

1. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. К расчету нитей конечной жесткости сквоз-ного сечения // Надежность и реконструкция зданий и сооружений. Сб. науч. тр. – Макеевка, 1994. –с.43-47.

2. Гибаленко В.А. Натурное освидетельствование конструкций покрытия плав-бассейна спорткомплекса “Олимпийский” / Международная научно-техническая конференция “Металлостроительство-96”, - т.2.- Донецк-Макеевка, 1996. - С.56-58.

3. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. Анализ действительного напряженно-дефор-мированного состояния конструкций плавбассейна “Олимпийский” / Международ-ный симпозиум “Современные строительные конструкции из металла и древесины”, Одесса, с. 187-191.

4. Мущанов В.Ф., Гибаленко В.А. Экспериментальное исследование модели ви-сячей фермы покрытия / Международная конференция “Теория и практика металлических конструкций”, - т.2.- Донецк-Макеевка, 1997.-С. 78-81.

5. Гибаленко В.А. Численные исследования напряженно-деформированного состояния жесткой нити сквозного сечения с учетом последовательности монтажа // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. – Макеевка: ДГАСА, 1998. – Вып. 98-6(14). - С. 105-109.

6. Гибаленко В.А. Особенности проектирования и монтажа жестких нитей сквозного сечения // Вестник Донбасской государственной академии строительства и архитектуры. – Макеевка: ДГАСА, 1999. – Вып. 99-2(16). - С. 177-180.

7. Гибаленко В.А. Диагностика технического состояния большепролетных конструкций покрытий зданий на основе модельных исследований. // Техническая диагностика и неразрушающий контроль. – 1999. - №3. – С. 61-64.

8. Мущанов В.П., Гібаленко В.А. Особливості дійсної роботи і проектування жорстких ниток скрізного перерізу. // Будівництво України. – 1999. - №5.- С. 45-48.

АНОТАЦІЯ

Гібаленко Вікторія Анатоліївна. Робота жорстких ниток скрізного перерізу. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.23.01 – Будівельні конструкції, будівлі та споруди. Донбаська державна академія будівництва і архітектури Міністерства освіти і науки України, Макіівка, 2000.

В представленій до захисту дисертаційній роботі надані результати чисельних та експериментальних досліджень, розроблена чисельна методика розрахунку жорстких ниток скрізного перерізу з врахуванням впливу послідовності монтажу та жорсткості гратів на напружено-деформований стан елементів конструкції. Одержана система безрозмірних параметрів, які зв'язують діючі навантаження з параметрами жорсткості і геометричними параметрами конструкції. Надані результати експериментальних дослідженнь великомасштабної моделі висячої нитки, які виконувались при різноманітних схемах монтажу і навантажень, різноманітних умовах закріплення конструкції. Розроблена методика розрахунку жорстких ниток, яка представлена в рекомендаціях по розрахунку і проектуванню.

Ключові слова: жорстка нитка скрізного перерізу, напружено-деформований стан елементів конструкції, багатостадійність монтажу, методика розрахунку і проектування.

АННОТАЦИЯ

Гибаленко Виктория Анатольевна. Работа жестких нитей сквозного сечения. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.23.01 – Строительные конструкции, здания и сооружения. Донбасская государственная академия строительства и архитектуры Министерства образования и науки Украины, Макеевка, 2000.

Диссертация посвящена изучению особенностей напряженно-деформированного состояния жесткой нити сквозного сечения, обусловленные влиянием последовательности монтажа и фактических жесткостных характеристик решетки.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: проведен анализ существующих методов расчета, проектирования и монтажа жестких нитей; разработана численная методика расчета исследуемой конструкции с учетом геометрической нелинейности и фактической последовательности монтажа; проведены натурные обследования и экспериментальные исследования модели жесткой нити, с целью подтверждения теоретических предпосылок и допущений, принятых при разработке методики расчета; разработаны рекомендации по расчету и проектированию жестких нитей сквозного сечения.

Разработан численный метод расчета жестких нитей сквозного сечения с учетом геометрической нелинейности и последовательности монтажа, реализованный в виде алгоритма расчета “RIGLAT” в кодах языка Turbo-Pascal 7.0 для персональных ЭВМ, в основу которого заложен метод конечных элементов. Методика расчета конструкций в геометрически нелинейной постановке, позволяет выполнить расчет конструкции произвольной геометрии и произвольных нагрузок с любым количеством расчетных схем обусловленных фактической последовательностью монтажа.

Получена система безразмерных параметров (, m, n, , r, ), связывающих действующие нагрузки с жесткостными и геометрическими параметрами конструкций, что позволяет исключить фактор масштабности при проектировании подобных конструкций.

Экспериментальное исследование проводились как на натурных объектах (висячих фермах сквозного сечения п/б “Олимпийский”), так и на моделе фермы покрытия. В задачи эксперимента входило: исследовать влияние последователь-ности монтажа висячих ферм на изменение НДС элементов; определить влияние числа условных шарниров на работу конструкции жесткой нити при действии постоянной нагрузки; выявить зависимости напряженно-деформированного состояния поясов фермы при изменении жесткости решетки, путем постановки дополнительных раско-сов; определить влияние податливости опор на изменение усилий в элементах фермы при двухстадийном монтаже.

Выполненные натурные и экспериментальные исследования показали преимущество такого конструктивного решения, как двухстадийный монтаж, который позволяет передать всю постоянную нагрузку на верхний пояс, работающий в это время как гибкая нить на чистое растяжение, с последующим превращением фермы в изгибно-жесткий растянутый элемент путем замыкания нижнего пояса.

На работу жесткой нити оказывает влияние число условных шарниров конструкции – наиболее конструктивно выгодным является вариант, когда висячая ферма состоит из 4-х отправочных элементов.

Увеличение жесткости фиктивной стенки приводит к снижению распора до 17-20% при двухстадийном монтаже и до 10% если ферма монтируется одностадийно.

Разработана методика расчета жестких нитей, которая представлена в рекомендациях по расчету и проектированию.

Ключевые слова: жесткая нить сквозного сечения, напряженно-деформированное состояние элементов конструкции, последовательность монтажа, методика расчета и проектирования.

THE SUMMARY

Gibalenko Victoria A. Work of rigid lattice strings through section. - Manuscript.

Dissertation for Degree of Candidate of Technical Sciences on 05.23.01 speciality - Building constructions, buildings and structures. Donbas State Academy of Civil Engineering and Architecture of the Ministry of Education and Science of the Ukraine, Makeevka, 2000.

In represented to protection dissertation work to operation on the basis numerical and experimental researches the numerical technique of account of rigid lattice strings of through section with allowance for influences of a sequence of mounting and rigidity of a lattice on the deformed state of elements of a construction is developed. The system of dimensionless parameters is obtained which link the acting loads with rigidity and geometrical parameters of a construction. The technique of account of rigid strings is developed which is represented in the recommendations for account and designing.

The keywords: rigid string of through section, deformed state of elements of a construction, sequence of mounting, technique of account.