Информационная модель процесса проектирования решетчатых конструкций из инженерной древесины тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.18, кандидат технических наук Павленко, Мария Николаевна

• Павленко, Мария Николаевна
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павленко, Мария Николаевна

Содержание

Введение

1 Современное состояние проектирования решетчатых конструкций

1.1 Основные сведения о деревянных фермах на МЗП

1.2 Развитие конфигурации МЗП

1.3 Теоретические основы расчета узлов на МЗП

1.4 Экспертные системы

1.5 Обучающие системы

1.6 Обзор современных САПР по проектированию деревянных ферм на МЗП

1.7 Исследование принципов проектирования

1.8 Разработка модели проектирования ферм

1.9 Постановка цели и задач исследования

2 Моделирование процесса проектирования

2.1 Разработка математического алгоритма решения задач

2.1.1 Алгоритм определения рабочих площадей

2.1.2 Решение рационального размещения МЗП

2.2 Функциональные возможности программы

2.3 Структура интерфейсной части программы

2.4 Средства реализации системы

2.5 Библиотека численных методов

3 Разработка структурной модели программного обеспечения

3.1 Основные классы системы

3.1.1 Класс ТРп^ей

3.1.2 Класс ТТп^

3.1.3 Класс ТОеотейгу

3.1.3.1 Построение геометрии фермы

3.1.3.2 Метод вычисления полигонов стержней

3.1.3.3 Метод определения рабочих площадей

3.2 Класс ТСакиМе

3.3 Разработка новых компонентов помощи

3.4 Разработка баз данных

4 Практическое применение системы «УИИК-Ферма»

4.1 Тестовый пример

4.1.1 Статический расчет

4.1.2 Конструктивный расчет элементов фермы

4.1.3 Конструктивный расчет узлов на МЗП

4.2 Статический расчет фермы в SCAD Office

4.3 Тестовый пример, выполненный в УИИК-Ферма

4.4 Формирование рабочих чертежей в AutoCAD

4.5 Тестирование системы «УИИК-Ферма

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Информационная модель процесса проектирования решетчатых конструкций из инженерной древесины»

Введение

Диссертационная работа посвящена разработке новой информационной модели процесса проектирования и созданию программного расчетно-графического комплекса для проектирования и исследования напряженно-деформированного состояния и несущей способности строительных конструкций на примере деревянных ферм с металлическими зубчатыми пластинами (МЗП).

Актуальность темы. В современном мире информационных технологий (1Т) важное место занимают 1Т строительного проектирования (ранее САПР), которые практически полностью вошли в повседневную жизнь инженера-проектировщика. Отечественные продукты программного обеспечения (ПО) -немногочисленны и по ряду причин малоизвестны в мировой практике. В условиях острой нехватки в России инженерных кадров такое ПО является актуальной проблемой при подготовке и (или) переподготовке инженеров-проектировщиков, так как для конструкций из древесины специализированные продукты практически отсутствуют.

В настоящей работе предлагаются программные средства не только для получения быстрых и надежных результатов в области проектирования и исследования строительных конструкций, но и для современных методов эффективного обучения инженеров.

В мировой практике жилищного домостроения весьма популярен один из современных видов соединений деревянных ферм - металлические зубчатые пластины. В России повышенный спрос на МЗП связан с актуальностью жилищного строительства. Выбор в пользу этих соединений обусловлен высокими экономическими и технологическими показателями.

Особенность расчета узла на МЗП при проектировании ферм состоит в сложных сочетаниях анизотропии прочностных и деформационных характеристик как самой МЗП, так и древесины с учетом вида их напряженного состояния (скалывания, смятия, растяжения, изгиба и др.). С учетом большого

числа узлов на МЗП в решетчатой конструкции выполнение такого расчета вручную, без автоматизированной системы, весьма трудоемко. Как правило, это приводит к большим запасам по прочности и иногда экономически неоправданной унификации узлов.

Задачи минимального расхода металла пластин с рациональным подбором их рабочих площадей, снижения трудоемкости вычислительных работ при проектировании требуют совершенствования вычислительных процессов и создания новых алгоритмов.

Целью диссертационной работы является:

- разработка интерактивной информационной модели процесса проектирования строительных конструкций, реализующей логику эвристического и детерминированного алгоритмов.

- создание обучающего программного комплекса для проектирования и исследования деревянных конструкций на примере ферм на МЗП с эффективным алгоритмом расчета и конструирования узлов на основе модели процесса проектирования.

Задачи исследования при разработке программного продукта:

1 Провести анализ существующих программных решений по проектированию деревянных ферм, расчету узлов на МЗП.

2 Разработать численные методы работы с объектами вычислительной геометрии, на основе которых создать математический и программный алгоритм определения рабочих площадей МЗП.

3 Разработать и реализовать информационную модель процесса исследования и проектирования строительных конструкций решетчатой конфигурации.

4 Создать следующие информационные модели:

- решетчатых конструкций из инженерной древесины (цельной, клееной древесины, ЬУЬ);

- металлических зубчатых пластин разных типов (с учетом их геометрических, прочностных и деформационных параметров);

- узловых соединений элементов решетки конструкций с произвольным расположением в них МЗП в соответствии с нормативными ограничениями.

5 Создать средства рациональной постановки МЗП в узле путем размещения двух и более пластин с возможностью поворота, изменения параметров МЗП и их расположения относительно центра узла.

6 Разработать компоненты интерактивной помощи при работе с программой.

7 Составить базу знаний по проектированию ферм на МЗП и механизм взаимодействия с пользователем.

8 Разработать нормативно-справочную базу для получения необходимой информации во время проектирования.

Научная новизна работы состоит в новом комплексном решении задач проектирования и исследования строительных конструкций на примере ферм на МЗП, а именно:

- в создании комплекса программных модулей, образующих информационное моделирование интерактивного процесса проектирования;

- в реализации численных и аналитических методов для создания математического и программного алгоритма определения рабочих площадей МЗП, прочностного и деформационного расчетов конструкции, входящих в информационную модель процесса проектирования;

- в разработке новых компонентов интерактивной помощи по проектированию, контролю ошибок ввода информации и контекстной справки по их корректировке;

- во введении в модель процесса проектирования элементов экспертных систем, позволяющих в интерактивном режиме корректировать процесс проектирования по рекомендациям базы экспертных знаний;

- в создании сводных данных («Истории проекта») о ходе процесса проектирования, дающих представление о работе пользователя за время всех сеансов использования программного комплекса.

Положения, выносимые на защиту:

- разработанная интерактивная информационная модель процесса проектирования решетчатых конструкций;

- разработанные численные методы для создания алгоритма определения рабочих площадей МЗП, а также для формирования модели проектируемой конструкции;

- реализованный проблемно-ориентированный программный комплекс для выполнения расчета деревянных ферм;

- разработанные компоненты помощи по проектированию, а также компоненты экспертной системы, позволяющие выявлять ошибки проектирования и выдавать возможные решения.

Практическая значимость работы. Разработанная в диссертации интерактивная информационная модель процесса проектирования позволяет:

- существенно снизить трудозатраты и временные ресурсы на выполнение проектных расчетов;

- выполнять открытый конструктивный расчет узловых соединений на МЗП, в полном соответствии нормативным документам;

- выявлять ошибки проектирования и выдавать рекомендации возможных проектных решений, повышать их качество и эффективность;

- значительно ускорить усвоение пользователем информации по расчету ферм посредством новых обучающих компонентов;

- осуществить переход на вариантное проектирование с исследованием нескольких модификаций конструкций и выбором наиболее рационального проекта;

- получить готовые рабочие чертежи (готовность на 60%) и сформированную пояснительную записку с необходимыми пояснениями и ссылками на нормативные документы;

- существенно сократить время на оформление протоколов расчета, необходимых для представления в экспертизу.

Значимой практической ценностью созданного программного продукта является его ориентация на средства обучения проектированию в инженерных дисциплинах строительных вузов и факультетов страны.

Весьма полезно использовать этот продукт в условиях переобучения и переквалификации инженеров-проектировщиков, в институтах и факультетах повышения квалификации, в создании курсов дистанционного обучения.

Принципы построения и реализации «интерактивной информационной модели проектирования» могут быть положены с основу разработки обучающих программных комплексов для других дисциплин, таких как «Железобетонные и каменные конструкции», «Металлические конструкции», «Основания и фундаменты», «Технология строительного производства» и др.

Методы исследования.

- теоретическое построение математической и информационной модели процесса проектирования;

- численные методы работы с механическими и геометрическими объектами, функции и процедуры объектно-ориентированного программирования;

- методы теоретической и строительной механики.

Внедрение результатов исследований

- На «УИИК-Ферма» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612406 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности (копия прилагается к диссертации).

- Комплекс «УИИК ДК» установлен в СПбГАСУ в классе «Информационных технологий проектирования» для проведения академических занятий.

- Программе УИК присвоен Гриф УМО АСВ Новосибирского регионального отделения для обучения студентов по направлению «Строительство» (копия прилагается к диссертации).

- Отзывы и рекомендации зав. каф «КДиП» и «Сопротивления материалов» СПбГАСУ по внедрению программы УИИК в учебный процесс.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались и обсуждались:

- на 4-ой и 6-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука и молодежь - 2007», «Наука и молодежь - 2009» (г. Барнаул, 2007 и 2009 г.);

- на работе III съезда-конгресса Ассоциации деревянного домостроения (г. Санкт-Петербург, 2009);

- на 63-ей Международной Научно-технической конференции молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2010 г.);

- на 67-ой и 68-ой Научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета (г. Санкт-Петербург, 2010 и 2011 г.);

- на II Международной научно-практической конференции «Достижения молодых учёных в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» (г. Брянск, 2011 г.);

-на V Международной Научно-практической конференции «Энергоресурсосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство» (г. Астрахань, 2011 г.);

- на II Международной научно-практической конференции «Строительная индустрия: Вчера. Сегодня, Завтра» (г. Пенза, 2011 г.);

на «ХЬ Неделе науки СПбГПУ» (г. Санкт-Петербург, 2011г.); на «XIX научной конференции преподавателей, аспирантов и студентов НовГУ» в рамках Дней науки 2012г. (г. Великий Новгород, 2012г.); - на I Международном конгрессе молодых ученых (аспирантов, докторантов) и студентов, посвященный 180-летию Санкт-Петербургского государственного архитектурно-строительного университета. Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 10 печатных работах, в том числе 2 в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, списка литературы (43 наименования, включая работы автора), 4 приложений, 74 рисунков и 18 таблиц. Общий объем диссертации -114 страниц.

1 Современное состояние проекгирования решетчатых конструкций

1.1 Основные сведения о деревянных фермах на МЗП

МЗП - металлическая зубчатая пластина с выштампованными и отогнутыми в одну сторону зубьями (рис. 1), применяющаяся для соединения элементов деревянных конструкций (рис. 2) в качестве покрытия в жилых, производственных, общественных, складских или сельскохозяйственных зданий [10]. Такую пластину также можно использовать для сращивания досок по длине. В качестве соединений элементов ферм эти пластины в Европе и в Америке называют «truss plates».

Рис. 2 Ферма на МЗП

МЗП изготавливается из листовой углеродистой стали по ГОСТ 1050-74 (с изм.), а антикоррозионную защиту выполняют оцинковкой. Технология производства и установки МЗП происходит в заводских условиях. Изготавливается МЗП методом выштамповки зубьев из рулонов листовой стали толщиной 1 - 2 мм. В зависимости от толщины пластины одновременно может выштамповываться один или два ряда зубьев 11 ].

Каждый зуб имеет специальный желоб для увеличения его жесткости, а в вершине — смещение острия. Поэтому при запрессовке зубья не изгибаются и заанкериваются в древесине. Важно выполнять процедуру вдавливания МЗП с высокой скоростью во избежание смещения зубьев относительно поверхности пластины[1].

На специальных торцевых пилах осуществляется заготовка деревянных элементов фермы. Затем на монтажных столах с помощью специального прессового оборудования происходит сборка конструкции в цехах (рис. 3). Монтажные столы входят в состав этого оборудования.

Рис. 3 Размещение фермы на сборочном столе

Металлические зубчатые пластины запрессовываются в узлах соединения деревянных элементов с двух сторон парно напротив друг друга (рис. 4). Таким способом обеспечивается прочное соединение отдельных деревянных элементов в единую конструкцию. После окончания работ по сборке готовая конструкция транспортируется к месту строительства.

Дощатые фермы с соединением в узлах на металлических зубчатых пластинах применяют в зданиях II и III классов ответственности V степени огнестойкости с влажностными условиями эксплуатации А1, А2, Б2, Б2. Устанавливают фермы с малым шагом - до 1.5 м [34]. При необходимости использования в других условиях эксплуатации применяется защитная обработка [1]. Для изготовления конструкций используется пиломатериал сосны и ели первого и второго сортов длиной 2 - 6.5 м, толщиной 40 - 60 мм, шириной от 100 до 200 мм [п. 8.47, 39]. Наиболее распространенные виды деревянных ферм на МЗП приведены на рис. 5.

Прессовочная пластина

Гидравлическая часть

Стол

Рис. 4 Запрессовка ферм

Рис. 5 Основные виды ферм с применением МЗП

Преимущества деревянных ферм на МЗП:

легкость конструкции, благодаря чему монтаж может вестись бригадой в несколько человек;

- точность изготовления конструкции, которая обеспечивается компьютерным проектированием и заводским изготовлением. При этом отпадает необходимость трудоемкой подгонки ферм на строительной площадке;

- отсутствие подъемных механизмов на стройплощадке, монтаж ведется вручную;

- сжатые сроки строительства здания в целом, учитывая все преимущества заводского изготовления, а также быстроту и качество работ на стройплощадке;

- низкая себестоимость продукции в виду малого расхода материалов;

- использование древесины обычной влажности 20-25% (без камерной сушки);

свобода выбора архитектуры крыши, возможность достижения большого пролета без применения промежуточных опор;

- малые расходы при транспортировке;

- компактный и эстетичный внешний вид узлов;

- чистота на стройплощадке.

В противовес достоинствам ферм на МЗП существуют некоторые недостатки:

- низкая огнестойкость конструкции в виду малого сечения и низкой огнестойкости МЗП;

- обязательное наличие специального прессового оборудования;

- малая изгибная жесткость зуба у основания в продольном направлении.

Учитывая применение новых технологий и материалов в строительстве деревянных домов, можно повысить огнестойкость с помощью пропиточных или облицовочных материалов, избавиться от гниения - использованием антисептиков (водорастворимых, маслянистых). Указания по защите содержатся в главе 5 «Рекомендаций по проектированию конструкций с соединениями на МЗП [34].

Применение деревянных ферм на МЗП значительно сокращает общее время проектирования зданий, снижает трудоемкость по их возведению, а также экономит ресурсы на их изготовление. Изобретение металлических зубчатых пластин, специального оборудования для их запрессовки, современного программного обеспечения по их расчету позволяет выполнять заводское изготовление конструкции, что гарантирует высокое качество продукции и скорость её производства.

1.2 Развитие конфигурации МЗП

В нашей стране начало исследований МЗП было положено в 70-х годах прошлого столетия в Йошкар-Оле, где проводились исследования работы соединений на МЗП и накопление опыта их применения и проектирования на базе Марийского государственного технического университета. Основные труды изложены в работах А. К. Наумова и В. Г. Котлова [8, 15, 16, 17]. Результаты исследований использовались при разработке методов расчета и нормативной документации решетчатых конструкций на МЗП. Изучением

несущей способности МЗП также занимались A.M. Дурновский [6], В.А. Цепаев [41, 42], Д.К. Арленинов [1]. Изучение нагельных соединений по деформациям велось Г.Г. Никитиным [18, 19], П.А. Дмитриевым [3, 4, 5], Р.Б. Орловичем. Вклад в изучение МЗП внесли Нижегородский государственный архитектурно-строительный университет (ННГАСУ), ЦНИИСК им. Кучеренко.

Исследования были обращены на изучение плоских и пространственных конструкций из деревянных ферм на МЗП, работу узловых соединений в упругой стадии работы и при появлении пластических деформаций, анализу несущей способности нагеля-зуба, а также исследованию деформативности соединений элементов на МЗП. На основе перечисленных выше исследовательских трудов в настоящее время разработаны учебные пособия и нормативные документы по расчету прочности соединений на МЗП [32, 34, 39].

На сегодняшний день исследования МЗП привели к появлению разнообразных типов этих пластин: по форме и расположению зубьев, толщине и размерам пластины. Размеры зуба зависят от его изгибной жесткости и несущей способности на смятие древесины в нагельном гнезде [1] и составляют для высоты зуба - 12t, для ширины зуба - 2t, где t - толщина листа. Предполагается, что древесина работает больше на смятие, чем на скалывание.

В 80-ые годы XX века ведущей научно-исследовательской организацией ЦНИИСК им. В. А. Кучеренко были разработаны и опубликованы «Рекомендации по проектированию конструкций с соединениями на МЗП» [34]. На основе зарубежного опыта институтом были разработаны пластины МЗП 1.2 и МЗП 2 (рис. 6) толщиной 1.2 мм и 2.0 мм соответственно. МЗП имеет односторонне расположение зубьев, при котором наблюдается разная работа пластины в разных направлениях, а при продольном приложении действующего усилия прочность зубьев минимальна в виду их малой изгибной жесткости.

а}

_________,,,,, I <

III! 11111II

14 Чш.

т 4» £ м- в

К

(л

¡3

|_Г9в_1г1Л«{

140'ИО

31- с

III ■ ||

Э1 -<=

:31—<

|

И

Л

1 |

Г. -,'И

,1 * 4

:1

Вод Я 1>-.

а ид 5

X *

+4Я-

ВайЯ

Рис. 6 МЗП, разработанные ЦНИИСК им. Кучеренко Этот недостаток был учтен при разработке МЗП системы Арпад, венгерским инженером Арпадом Берталаном, который получил патент на свое изобретение в 1998 г. (рис. 7). В МЗП типа АРПАД оси зубьев расположены в разных направлениях по отношению к главной оси пластины и образуют угол к направлению основной нагрузки и по отношению друг к другу. Такое геометрическое построение позволяет значительно увеличивать прочность всего соединения в виду заклинивания шипов в древесине. МЗП системы Арпад считались очень перспективными, но не были достаточно хорошо исследованы.

к.

Рис. 7 МЗП типа Арпад Самыми распространенными типами МЗП за рубежом считаются пластины Ганг-Нейл (США) с односторонним расположением зубьев. Широкую известность в разработке МЗП приобрела североамериканская корпорация MiTek [35], начало которой положили предшественники: фирмы Gang-Nail и Hydro-Nail в 1987 г. Благодаря этим компаниям соединения МЗП получили активное развитие каркасном строительстве в Европе и США. Mitek проектирует, производит и реализует разнообразные строения с использованием следующих типов МЗП (рис. 8):

Рис. 8 МЗП типа Mitek

В Канаде создана ассоциация деревянных ферм CWTA (Canadian Wood Truss Association) [37], которая является национальным органом, исследующим

GNA 20 (t =1 мм); Т 150 Ct = 1.5 мм); M 14 (t = 2 мм).

деревянные фермы на металлических пластинах. Канадская ассоциация деревянных ферм разрабатывает стандарты качества для производителей структурных компонентов древесины и дистрибьюторов. Задачей ассоциации является развитие и поддержание единых стандартов работы, содействие обучению и образовательным мероприятиям для ее членов и партнеров по бизнесу, защита интересов отрасли.

В состав CWTA входят шесть региональных ассоциаций, в том числе институт TPI (Truss Plate Institute). TPI создан в США в середине XX века для исследования и разработки методов проектирования и строительства ферм на МЗП. Рекомендуемые допустимые критерии прочности пластин впервые были сформулированы до образования института на основе работы временной комиссии в 1959 году. Эти критерии проектирования были опубликованы в следующем году с обозначением TPI-60 "Design Specification for Light Metal Plate Connected Timber Trusses" (ТПИ - 60 "Проектирование легких металлических пластин деревянных ферм"). С тех пор, технический комитет продолжает изучать и оценивать новые факторы развития металлической пластины [36].

МЗП постоянно совершенствуется, в основном испытываются новые формы зубьев пластины, находят применение как одностороннее, так и двустороннее расположение зубьев. Подобного рода МЗП разработаны также в Финляндии, Польше, ФРГ [1].

Особый интерес вызывали пластины с фигурной формой зуба, в форме «елочки» или с закруглениями у оснований (рис. 9), с целью повышения сдвиговой жесткости МЗП. Несмотря на преимущества такого типа пластин, их массовое изготовление не получило развития в связи со сложностью технологического процесса.

Рис. 9 Варианты выштамповки зубьев МЗП

В России производство пластин налажено в Москве и Московской области, Нижнем Новгороде, Ярославской области. Рядом фирм освоено производство сборных деревянных домов в Самарской области, в конструкциях которых нашли применение металлические зубчатые пластины. Крупным поставщиком конструкций с применением МЗП является ЗАО «ТехКом» (г. Дубна, Московская область) [40].

1.3 Теоретические основы расчета узлов на МЗП

В период исследований пластин институтом ЦНИИСК им. Кучеренко были составлены «Рекомендации по проектированию конструкций с соединениями на МЗП» [34]. В дальнейшем эти рекомендации использовались в разработке нормативных документов по расчету деревянных конструкций:

1 СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции» [39];

2 Пособие к СНиП П-25-80 (раздел «Соединения элементов») [32].

3 Еврокод 5 «Проектирование деревянных конструкций» [43].

В соответствии с этими документами несущая способность соединений зависит от их типа, размера, расположения и толщины пластины. Суть расчета заключается в подборе рабочей площади МЗП и сравнении усилий по несущей

способности пластины. Рабочей площадью считается площадь МЗП, приходящаяся на элементы, за исключением краевых полос шириной 10 мм (рис. 10).

у|

Элемент (стойка)

Рабочая площадь стойки

Субконтр стойки

Рабочая площадь раскоса

Элемент

Субконтр нижнего пояса

Рабочая площадь\МЗП

нижнего пояса (пояс)

Рис. 10 Рабочая площадь МЗП

Требуемое усилие в стрежне определяется из условия прочности [8.52, 39]:

N<27?^, где

N - нормальное усилие в стержне, кН;

Ы - расчетная несущая способность МЗП, которая зависит от типа МЗП, угла между направлением действующего усилия и волокон древесины, МПа;

Егр - требуемая площадь МЗП, м2.

Расчетная несущая способность И. принимается на 1 см , так как прочность и деформативность соединения зависит от неравномерности восприятия усилия зубьями по мере удаления от стыка, деформации поверхности пластины, возникновением дополнительного изгибающего момента из-за несимметричного расположения зубьев. Передача сил между соединяемыми элементами происходит через поверхность контакта пластины и элементов фермы [1].

Согласно п. 8.47 - 8.55 [39] из условия прочности МЗП при растяжении, срезе и при совместном действии усилий среза и растяжения вычисляется требуемая площадь соединения элемента и требуемая длина среза МЗП. При этом работа МЗП характеризуется следующими параметрами (рис. 11): X - главной осью МЗП; N - действующим усилием;

а - углом между осью МЗП и вектором силы N. определяющим расчетную несущую способность пластины Яр при растяжении;

|3 - углом между направлением волокон древесины и вектором силы К, определяющим расчетную несущую способность пластины Я;

у - углом между осью МЗП и линией стыка, определяющим расчетную несущую способность пластины Кср при срезе.

Учет углов а, (3, у объясняется разной работой пластины в разных направлениях. Несущая способность МЗП напрямую зависит от угла между главной осью пластины, осью действующего усилия и направлением волокон древесины.

Элемент гЪепмы

Рабочая площадь

Рис. 11 Геометрические параметры МЗП

Кроме определения расчетной несущей способности пластины выполняются проверки прочности поверхности МЗП на растяжение и на срез. Условие прочности МЗП при растяжении [п. 8.53, 39] (рис. 12):

Ыр < 2ЯрЬ, где

- растягивающее усилие в стержне, кН; И.Р - расчетная несущая способность пластины на растяжение, кН; Ь - размер пластины в направлении, перпендикулярном направлению усилия, м.

МЗП

Рабочая площадь пластины

Нижний пояс фермы

Рис. 12 Растяжение в узле нижнего пояса фермы

Условие прочности МЗП при срезе [п. 8.54, 39] (рис. 13): О <2Я I , где

ль ер ср ср '

С)ср - срезающее усилие, кН;

Лср - расчетная несущая способность пластины при срезе, кН; 1ср - длина среза сечения пластины, м.

Значения расчетных несущих способностей пластины принимаются согласно таблицам 1, 2 и 3 [табл. 9, 1, табл. 1, 34], так как в своде правил СП 64.13330.2011 «Деревянные конструкции» [39] эти данные не представлены. Несущая способность вычисляется по указанным таблицам в зависимости от углов а, (3, у (рис. 14, 15).

Рис. 13 Срез в узле верхнего пояса

Таблица 1 Расчетная несущая способность МЗП при растяжении

Вид напряженного состояния Толщина МЗП, мм Расчетная несущая способность Яр в кН/м при величине угла а в градусах

0 15 30 45 60 90

Растяжение 1.2 115 115 75 35 35 35

2.0 200 200 130 65 65 65

Таблица 2 Расчетная несущая способность МЗП при срезе

Вид напряженного состояния Толщина МЗП, мм Расчетная несущая способность Ыср в кН/м при величине угла у в градусах

0 15 30 45 60 90

Срез 1.2 35 40 45 50 45 35

2.0 65 75 85 95 85 65

Таблица 3 Расчетная несущая способность МЗП

Угол а между осью пластины и усилием, град. Расчетная несущая способность К в МПа при величине угла р в градусах

0-15 30 45 60 75-90

0-15 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4

80 —

60

20 ■

"Г 20

40

60

80

100

------Яр (1=1.2)

-----Ир (1 = 2)

- — Яср (I = 1.2)

- Иср (I = 2)

Рис. 14 Расчетная несущая способность Кр при растяжении и 11ср при срезе

0,9 Я 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 ОД 0,0

20

40

60

80

100

Рис. 15 Расчетная несущая способность К при величинах (3 При совместном действии усилий среза и растяжения (рис. 16) проверяется условие [8.55, 39]:

N О

(—+ —)2 — 1

2 ЯрЬ

Рабочая площадь

Верхний пояс

Рис. 16 Узел МЗП верхнего пояса Принимая во внимание требуемую площадь пластины, подбираются параметры МЗП таким образом, чтобы рабочая площадь МЗП на элементе была больше требуемой. При этом необходимо, чтобы минимальная площадь МЗП на элементе составляла не менее 50 см для конструкций пролетом до 12 м и менее и 75 см2 для конструкций пролетом до 18 м [п. 3.18, 34], а сама пластина не должна выходить за краевые кромки фермы, поэтому необходимо разместить МЗП в узле наиболее рациональным образом и задействовать в работу максимальную площадь МЗП.

МЗП считаются податливыми соединениями. Деформации в них могут возникать из-за неплотностей при запрессовке пластины, при усушке или смятии древесины. Перемещения учитываются при определении прогибов конструкции. Величину деформаций податливого соединения следует принимать по таблице 4 [табл. 18, 39].

Расчет прогиба фермы в нижних узлах выполняется с учетом деформаций всех элементов и податливости соединений во всех узлах. Расчетные формулы для определения прогиба:

А = Х - 'где

¿=1 Еир ■ ^р

Е К

Пр

Заключение диссертации по теме «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ», Павленко, Мария Николаевна

Основные результаты диссертационной работы состоят в следующем:

1 Проведен анализ и выявлены недостатки существующих программных продуктов по проектированию деревянных ферм на МЗП, а именно: скрытие расчета, обязательное наличие знаний по проблемной области для получения технически грамотного проекта, отсутствие интерактивности, определения рабочих площадей МЗП, а также контролирования процесса проектирования и разъяснения проблемных ситуаций.

2 Исследованы, разработаны и обоснованы принципы проектирования обучающей системы.

3 Разработан объектный механизм генерации полигонов стержней фермы для формирования информационной модели процесса проектирования.

4 Разработаны численные методы для определения рабочих площадей МЗП и позиционирования нескольких пластин.

5 Внедрены компоненты контекстной помощи: окно динамических подсказок, бегущая строка динамических сообщений, компонент корректного ввода параметров, составлена нормативно-справочная база.

6 Созданы программные методы формирования пояснительной записки, состоящей из сбора нагрузок на конструкцию, конструктивного расчета элементов фермы, конструктивного расчета узлов на МЗП и расчета на огнестойкость.

7 Созданы средства вывода рабочих чертежей в систему AutoCAD.

8 Создан механизм составления истории расчета с анализом пройденных сеансов.

9 На программу «УИИК-Ферма» получено свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2012612406 из Федеральной службы по интеллектуальной собственности.

Заключение

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Павленко, Мария Николаевна, 2012 год

Список литературы

1 Арленинов, Д.К. Конструкции из дерева и пластмасс / Д.К. Арленинов, Ю.Н. Буслаев, В.П. Игнатьев, П.Г. Романов, Д.К. Чахов // Учеб. для техн. вузов. - М.: Изд-во АСВ, 2002. - 280 стр.

2 Гапоев, М.М. Конструкции из дерева и пластмасс / М.М. Гапоев, И.М. Гуськов, JI.K. Ермоленко, В.И. Линьков, Е.Т. Серова, Б.А. Степанов, Э.В. Филимонов // Учебник. - М.: Изд-во АСВ, 2004, - 434 с.

3 Дмитриев, П.А. Исследование длительной несущей способности соединений деревянных элементов на стальных цилиндрических нагелях [Текст] / П.А. Дмитриев // Изв. вузов. Строительство и архитектура. - 1973. - №5. - С. 28 - 35.

4 Дмитриев, П.А. Исследование прочности соединений деревянных элементов на нагелях из стеклопластика АГ-4С при действии длительных нагрузок [Текст] / П.А. Дмитриев, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1974. - №6. - С. 32 - 38.

5 Дмитриев, П.А. Соединение элементов безметальных деревянных конструкций на цилиндрических нагелях из высокопрочного стеклопластика АГ-4С [Текст] / П.А. Дмитриев, Ю.Д. Стрижаков // Изв. вузов. Строительство и архитектура. — 1972. - №8. - С. 17 - 22.

6 Дурновский, A.M. Разработка и исследование соединений деревянных конструкций с металлическими зубчатыми пластинами : Автореферат дис. на соискание уч.ст. канд. техн. наук / A.M. Дурновский. - Москва, 1982 -21с.

7 Кормен, Т. Алгоритмы. Построение и анализ / Т. Кормен, Ч. Лейзерсон, Р. Ривест. - М.: МЦНМО, 2000. - 961 с.

8 Котлов, В.Г. Пространственные конструкции из деревянных ферм с узловыми соединениями на металлических зубчатых пластинах: дис. канд. техн. наук / В.Г. Котлов; НИСИ им. В.В. Куйбышева. - Новосибирск, 1991. -215 с.

9 Коченов, В.М. Несущая способность элементов и соединений деревянных конструкций [Текст] / В.М. Коченов. — М.: Стройиздат, 1953. - 319 с.

10 Кравцов, Е.А. Треугольные стропильные дощатые фермы для покрытий производственных, сельскохозяйственных и складских зданий / Е.А. Кравцов, В.А. Цепаев // Информационный листок Горьковского ЦНТИ. - №308 - 80, 1980.

11 Краснова, Т.А. Технологии создания электронных обучающих средств / Г.А. Краснова, М.И. Беляев, A.B. Соловов // М., МГИУ, 2001. - 224 с.

12 Миронов, В.Г. Влияние влажности древесины на ползучесть соединений деревянных элементов на металлических зубчатых пластинах / В.Г.Миронов, В.А. Цепаев, А.В.Авдеев // Деревообраб. пром-сть, 2000, N N1.-C. 26-28.

13 Миронов, В.Г. Совершенствование расчета соединений на металлических зубчатых пластинах / В.Г. Миронов, A.B. Крицин // Современные строительные конструкции из металла и древесины: Сб. науч. тр. - Одесса: ОГАСА, 2001. - С. 151 - 160.

14 Муромцев, Д. И. Введение в технологию экспертных систем. - СПб: СПбГУ ИТМО, 2005. - 93 с.

15 Наумов, А.К. Исследование несущей способности нагеля-зуба в соединениях деревянных элементов [Текст] / А.К. Наумов // Вторая научная конференция молодых ученых Волго-Вятского региона: Тез. докл. Йошкар-Ола, 1973. - С. 16 - 17.

16 Наумов, А.К. Исследование несущей способности соединений на металлических зубчатых пластинах [Текст] / А.К. Наумов // Материалы конференции по итогам научно-исследовательских работ за 1974 г. / МПИ им. М.Горького. - Йошкар-Ола, 1975. - С. 24 - 26.

17 Наумов, А.К. Исследование соединений легких деревянных несущих конструкций на металлических зубчатых пластинах: дис. канд. техн. наук / А.К. Наумов; ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко. - М., 1978. - 143 с.

18 Никитин, Г.Г. Вопросы применения и расчета нагельных соединений / Г.Г. Никитин // Сборник научных трудов. Вып. 34. ЛИСИ, 1961. - С. 117.

19 Никитин, Г.Г. Теория расчета нагельных соединений в конструкциях из дерева и пластмасс с учетом времени свойств материала / Г.Г. Никитин // В кн.: Инженерные конструкции. Доклады к I научной конференции молодых ученых строителей ЛИСИ. Л., 1965, с. 172 - 179.

20 НТЦ АПМ [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.apm.m/rus/civil/#wood, свободный. Яз. рус. (дата обращения 25.11.2011).

21 Отрешко, А. И. Деревянные конструкции / А.И. Отрешко // Справочник проектировщика. - М., 1957. - 264 с.

22 Копылов, A.B. Проектирование деревянных стропильных систем /

A.B. Копылов, М.Н. Павленко, Д.О. Ефременко, А.Б. Шмидт,

B.В. Соколова // Наука и молодежь - 2007: материалы 4-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2007.

23 Павленко, М. Н. Подсистема проектирования деревянных балок в составе учебно-информационного исследовательского комплекса (УИИК) по проектированию зданий из клееной древесины и водостойкой фанеры / М.Н. Павленко, А.Б. Шмидт, В.В. Соколова // Доклады 6-ой Всероссийской Научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. - Барнаул: изд-во АлтГТУ, 2009.

24 Павленко, М. Н. Подсистема проектирования деревянных балок в составе учебно-информационного исследовательского комплекса (УИИК) по проектированию зданий из клееной древесины и водостойкой фанеры / М.Н. Павленко, А.Б. Шмидт, В.В. Соколова // Доклады 67-ой научной конференции профессоров, преподавателей, научных работников, инженеров и аспирантов университета / Санкт-Петербургский госуд. архит.-строит. ун-т. - В. 5 ч. Ч. 1. - 2010. - С. 211 - 214.

25 Павленко, М.Н. Автоматизация проектирования деревянных ферм на металлических зубчатых пластинах / М.Н. Павленко // Материалы III Международной науч.-практ. конф. «Достижения молодых ученых в развитии инновационных процессов в экономике, науке, образовании» / под ред. И. А. Лагерева. - Брянск: БГТУ, 2011. - Ч. 1. - С. 218 - 219.

26 Павленко, М.Н. Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М.Н. Павленко // Сборник статей II Международной науч.-практ. конф. «Строительная индустрия: вчера, сегодня, завтра»: сборник статей / МНИЦ ПГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - С. 130 - 134.

27 Павленко, М.Н. Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М. Н. Павленко // Материалы V Международной науч.-практ. конф. «Энергосберегающие технологии: Наука. Образование. Бизнес. Производство» / Астрахань: АИСИ, 2011. - С. 12 - 15.

28 Павленко, М.Н. Автоматизированная система проектирования деревянных ферм на МЗП / М. Н. Павленко, А.Б. Шмидт // ХЬ Неделя науки СПбГПУ: материалы международной научно-практической конференции. Ч. 1. -СПб.: Изд-во Политехи, ун-та, 2011. - 235 - 236.

29 Павленко, М.Н. Особенности применения программных средств для обучения студентов // Вестник Балтийской педагогической академии. -2012.-№103.-с. 38-39.

30 Павленко, М.Н. Автоматизированная система проектирования и исследования деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах / М.Н. Павленко, А.Б. Шмидт // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. - 2012. - №1(77). - с. 124-128.

31 Шмидт, А.Б. Комплекс программ автоматизированного проектирования на примере конструкций из древесины / А.Б. Шмидт, М.Н. Павленко // Вестник гражданских инженеров. - 2012. - №2 (31). - с . 91 - 95.

32 Пособие по проектированию деревянных конструкций (к СНиП П-25-80) / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1986. - 216 с.

33 Приложение для проектирования деревянных конструкций - новый продукт НТЦ АПМ [Текст] / Вадим Шелофаст, Андрей Алехин, Сергей Григорьев // САПР и графика. - 2007. - N 2. - С. 22 - 24.

34 Рекомендации по проектированию и изготовлению дощатых конструкций с соединениями на металлических зубчатых пластинах / ЦНИИСК им. Кучеренко. - М.: Стройиздат, 1983. - 40 с.

35 Сайт компании Mitek: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.mitek.ru/tech-mitek/istoriya-mitek.html, свободный. Яз. рус. (дата обращения 25.11.2011).

36 Сайт Truss Plate Institute Inc: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tpinst.org/steelverify.html, свободный. Яз. англ. (дата обращения 30.11.2011).

37 Сайт The Canadian Wood Truss Association: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.cwta.net/preservative_treatments_and_truss_plates.php, свободный. Яз. англ. (дата обращения 30.11.2011).

38 СНиП П-25-80. Деревянные конструкции / Госстрой России. - М.: ГУП ЦПП, 2002. - 30 с.

39 СП 64.13330.2011. Деревянные конструкции. - М.: ОАО«ЦПП», 2011.-87с.

40 ТехКом: [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.tehcom.ru/, свободный. Яз. рус. (дата обращения 4.01.2012).

41 Цепаев, В.А. Исследование длительной прочности и деформативности соединений элементов деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах: Дис. канд. техн. наук / В.А. Цепаев. - 1982. - 201с.

42 Цепаев, В.А. Расчет соединений деревянных конструкций на металлических зубчатых пластинах по деформациям с учетом фактора времени / В.А. Цепаев // Инженерно-теоретические основы строительства. Экспресс-информ. ВНИИИС Госстроя СССР, сер. 10. 1984. - Вып.8. - С. 9 -31.

43 Eurocode 5 Design of timber structures. Part 1.1. General Rules. General rules and rules for buildings. - 1995.