Метод расчета несущей способности биметаллических колонн двутаврового сечения, предварительно напряженных вытяжкой поясных листов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Пономарев, Владимир Порфирьевич

• Пономарев, Владимир Порфирьевич
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пономарев, Владимир Порфирьевич

Введение.

1 Основные идеи предварительного напряжения металлических конструкций.

1.1 О беззатяжечном способе предварительного напряжения металлических конструкций, в частности, колонн.

1.2 Предварительное напряжение стенок колонн как эффективный метод снижения металлоемкости.

2 Теория расчета стержней двутаврового сечения, предварительно-напряженных вытяжкой поясов при воздействии центральной или внецентренно приложенной продольной нагрузки.

2.1 Основные задачи и методика исследования сжатых предварительно-напряженных колонн.

2.2 Напряженное состояние элементов колонн с растянутыми поясами.

2.3 Вывод формулы для расчета несущей способности бистального центрально-сжатого стержня двутаврового симметричного сечения с предварительной вытяжкой поясных листов.

2.4 Вывод формулы для определения несущей способности внецентренно-сжатого стержня моносимметричного двутаврового профиля, предварительно напряженного вытяжкой поясных листов.

2.5 Научные выводы по разделу 2.

3 Теория расчета элементов преднапряженных вытяжкой поясных листов стержней двутаврового сечения на местную устойчивость

3.1 О характере распределения напряжений по поперечному сечению стенки от усилий предварительной вытяжки поясных листов.

3.2 Уравнение зависимости между усилием преднапряжения в поясах и толщиной стенки с учетом совместного стесненного кручения и изгиба поясов и стенок.

3.3 Формулы для определения расчетных параметров, входящих в уравнение (3.54).

3.4 Научные выводы по разделу 3.

4 Расчет и конструирование колонн на центральное и внецентренное сжатие при наличии усилий предварительного напряжения.

4.1 Расчет несущей способности и конструирование элементов центрально-сжатой бистальной колонны симметричного двутаврового профиля с преднапряжением посредством вытяжки поясных листов.

4.2 Проверка принятого, сечения стенки на местную устойчивость на стадии предварительного напряжения.

4.3 Способ определения оптимальной условной гибкости преднапряженных центрально-сжатых колонн и расчеты различных образцов колонн для оценки эффективности предварительного напряжения.

4.4 Определение несущей способности внецентренно-сжатой колонны, предварительно напряженной вытяжкой поясных листов.

4.5 Выводы по разделу 4.

5 О характере распределения напряжений сдвига (касательных усилий) по продольным краям стенки двутаврового стержня после ее сварки с предварительно вытянутыми поясами.

5.1 Уравнение функции напряжений сдвига.

5.2 График функцииу=ахьесх и технологический прием прерывной сварки - вытяжки поясных листов в целях выравнивания напряжений сдвига по длине стержня.

5.3 Выводы по разделу 5.

6 Экономическая эффективность предварительного напряжения вытяжкой поясных листов колонн двутаврового профиля.

6.1 Общие предпосылки оптимизации проектирования металлоконструкций.

6.2 Определение массы, расчет трудозатрат и стоимости вариантов колонн рассчитанных на одну и ту же внешнюю нагрузку при различных исходных данных.

6.3 Выводы по разделу 6.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Метод расчета несущей способности биметаллических колонн двутаврового сечения, предварительно напряженных вытяжкой поясных листов»

Актуальность. Применение предварительного напряжения, как средства повышения эффективности металлоконструкций, является сп ди-альной технической проблемой. Во многих странах, особенно в свя и с применением антисейсмических конструктивных мероприятий, проводя -ся обширные эксперименты и теоретические исследования, посвященное изучению этой проблемы. Исследования затрагивают общие теоретиче-с сие вопросы, изучение действительной работы конструкций, разработку методов расчета, создание новых рациональных конструктивных форм, оптимизацию геометрических и физических параметров, выявление областей эффективного применения предварительного напряжения.

Возможностью получения экономии металла в преднапряженных конструкциях (до 50%) и снижения трудоемкости изготовления по сравнению с железобетонным аналогом обуславливается перспектива их широкого применения. Экономия металла всегда являлась проблемой номер один при проектировании и использовании металлических и иных конструкций. В перспективе с сокращением сырьевых запасов значение этой проблемы возрастет еще больше.

Развитие металлических конструкций, сопровождающееся увеличением нагрузок и габаритов сооружений, требует применения высокопрочных сталей, что является одним из способов экономии металла. Однако, в конструкциях из высокопрочной стали увеличивается деформативность, что во многих случаях ограничивает ее применение или приводит к нерациональным решениям. Созданием преднапряжения можно повысить жесткость конструкции и уменьшить перемещения и, тем самым, расширить область применения высокопрочной стали, сделать ее использование более эффективным.

Преднапряжение расширяет возможности использования высокопрочных сталей в элементах, работающих на сжатие, что снимает в таких случаях проблему обеспечения устойчивости сжатых стержней, а это особенно важно при использовании высокопрочной стали.

Повышение эффективности преднапряженных конструкций связано с тем, что при той же затрате материала увеличивается их жесткость, что позволяет повысить их несущую способность.

Создание преднапряжения часто связано с дополнительным расходом материала (затяжки, анкеры и т.д.) и всегда - с дополнительной затратой труда.

Предлагаемый в настоящем исследовании способ пре/] напряжения не связан с дополнительным расходом материала.

Необходимо, чтобы эффект, получаемый от преднапряжения, превышал затраты, связанные с его созданием.

Диссертация посвящается совершенствованию и разработке предварительно-напряженных сплошностенчатых биметаллических колонн двутаврового сечения, повышенных несущей способности, жесткости и технологичности.

Целью работы является создание методики расчета несущей способности биметаллических колонн двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов.

Для достижения указанной цели необходимо решить пять задач:

- разработать теорию расчета стержней двутаврового сечения предварительно-напряженных вытяжкой поясов при воздействии центральной и внецентренно приложенной сжимающей нагрузки;

- разработать теорию расчета элементов предварительно напряженных вытяжкой поясных листов двутаврового сечения на местную устойчивость;

- разработать практическую методику расчета;

- теоретически обосновать рациональную технологию изготовления двутавров с вытяжкой поясных листов;

- оценить экономическую эффективность колонн двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов.

Методы исследований:

Включают теоретический анализ напряженно-деформированного состояния колонны с применением теории упругости и устойчивости сжатых стоек.

Достоверность разработанных методов подтверждена испытаниями опытной партии колонн, изготовленных на Днепропетровском заводе металлоконструкций (см. 6.3).

В процессе решения поставленных задач получены следующие научные результаты:

- выведены формулы для определения несущей способности центрально и внецентренно сжатых биметаллических колонн (стержней) двутаврового сечения предварительно напряженных вытяжкой поясных листов;

- установлено, что предварительное натяжение поясных листов наиболее эффективно при условии, что сталь стенки двутавра по прочности не менее, чем на две марки выше стали поясов;

- установлены условия местной устойчивости стенки двутавра от усилий предварительного напряжения поясов с учетом совместных стесненного кручения и изгиба поясов и стенки;

- установлены закономерности распределения напряжений сжатия в стенке двутавра от действия предварительно напряженных поясов; установлен характер распределения напряжений сдвига (касательных усилий) по длине стенки двутаврового стержня после ее сварки с предварительно растянутыми поясами; выявлена функция, аппроксимирующая эпюру напряжений сдвига, и предложен технологический прием создания предварительного напряжения, при котором эти напряжения выравниваются по длине преднапряженного стержня. Для практического использования рекомендуются следующие результаты:

- методику практического расчета по несущей способности и устойчивости;

- способ определения оптимальной условной гибкости колонн;

- технологический прием прерывной сварки-вытяжки поясных листов в целях выравнивания напряжений сдвига по длине стержня. Апробация. Основные положения диссертации были доложены и получили положительную оценку на:

- заседании Научно-экспертного совета при Администрации Сахалинской области (Протокол № 15 от 16.06.99г.);

- заседании секции Научно-технического совета ДальНИИСа (Протокол № 2 от 12.05.98 г);

- секции Дальневосточного государственного технического университета (Строительного института) (Протокол № 3 от 25.11.99 г).

Публикации. Основные положения диссертации и результаты теоретических исследований опубликованы в следующих работах:

1. Пономарев В.П. "О характере распределения напряжения сжатия по поперечным сечениям стенки колонны из сварных двутавров, преднапряженных вытяжкой поясных листов, на стадии предварительного напряжения" // Сборник науч. трудов кафедры строительных конструкций// - Хабаровск, Хабаровский политехнический ин-т., 1981

2. Пономарев В. П. "Методические рекомендации по расчету бистальных колонн из сварных двутавров, предварительно-напряженных вытяжкой поясных листов, работающих на центрально и внецентренно приложенную сжимающую осевую нагрузку", г. Южно-Сахалинск, ГТУ, 1999.

4 Пономарев В.П. "О новом способе преднапряжения и расчета биметаллических колонн из сварных двутавров и экономической эффективности" // Сборник научных работ // Владивосток; ДВГТУ, 1999 - с. 45-46

Внедрение. На Днепропетровском заводе металлоконструкций была разработана технология заводского изготовления предварительно напряженных сварных двутавров и была создана установка по их изготовлению.

Предварительно напряженный вариант колонн и балок был реализован при строительстве рабочих площадок корпуса № 201 на Белоцерков-ском заводе сельскохозяйственного машиностроения.

Экономическая эффективность. Технико-экономические расчеты преднапряженных колонн показывают, что по сравнению с аналогичными колоннами без преднапряжения стоимость их в деле снижается на 24,4 %, а масса - на 35,8 %.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Пономарев, Владимир Порфирьевич

6.3 Выводы по разделу 6

1. В основу проектирования экономичных преднапряженных колонн положены три принципа: экономия металла, снижение трудоемкости изготовления и сокращение сроков монтажа. Эти принципы по своей природе противоречивы и успешное совмещение их возможно при создании конструкций минимальной массы и стоимости, что является универсальным критерием оптимальности (целевой функции) конструкций.

2. Оптимальное состояние преднапряженной конструкции характеризуется следующими условиями: а) в стадии создания преднапряжения наиболее напряженные элементы должны находиться в предельном состоянии; б) в стадии загружения внешними нагрузками наиболее напряженные элементы (в т.ч. напрягающие) достигают предельного состояния.

3. Решена основная задача оптимизации: для принятого способа создания преднапряжения заданная система имеет минимальную массу, а затраты, связанные с его созданием, не превышают экономии за счет сокращения расхода материала, достигнутого в результате регулирования напряжений.

4. Экономическая оценка, основанная на расчете трудоемкости изготовления и общей стоимости конструкции "в деле", выполнена способом, предложенным Я. М. Лихтарниковым, в основе которого лежит членение конструкции на основные и дополнительные детали.

5. Из сопоставления данных расчетов можно сделать следующие выводы:

5.1. Сравнивая данные Вариантов I и Г, видим, что преднапряжен-ный стержень обладает вдвое большей несущей способностью по сравнению с точно таким же стержнем, но без преднапряжения. При этом некоторое снижение трудоемкости и стоимости явно не компенсируется двойным снижением несущей способности: трудоемкость изготовления при создании преднапряжения возрастает на 15%, а стоимость - на 3,6 %.

5.2. Сравнивая Варианты I и И, видно, что стержень из тех же классов стали (пояса - С285, стенка - С375), рассчитанный на нагрузку 962 кН (Вариант I - 960 кН), отличается от преднапряженного в большую сторону:

- по расходу металла - на 35,8%;

- по стоимости изготовления - на 20,8% и по стоимости в деле - на 24,4%. Трудоемкость изготовления при этом остается неизменной.

5.3. Сравнивая Варианты I и III, видим, что стержень, целиком выполненный из стали С285 и рассчитанный на ту же нагрузку (963,ЗкН), но без преднапряжения, имеет значительно худшие показатели при практически неизменной трудоемкости изготовления:

- по расходу металла больше на 53,3 %;

- по стоимости изготовления - в 2 раза;

- по стоимости в деле - на 89,9%.

5.4. Сравнивая Варианты I и IV, видим, что преднапряженный стержень, выполненный целиком из стали С285 и рассчитанный практически на ту же нагрузку (968 кН) имеет худшие показатели:

- по расходу материала больше на 18,7%;

- по трудоемкости на 4,2%;

- по стоимости - больше на 87,8%;

- по стоимости в деле - на 70%.

5.5. Сравнивая Варианты I и V, видим, что преднапряженный стержень, выполненный целиком из стали С375 и рассчитанный на ту же нагрузку (962,2 кН) меньше по расходу материала от базового Варианта I на 3,2 %, несколько превышает его по трудоемкости изготовления (на 7,6%), но на 88%) дороже по стоимости изготовления и на 70,7% дороже по стоимости в деле.

5.6. И, наконец, сравнивая Варианты I и VI -вариант стержня без преднапряжения, выполненного целиком из стали С375, рассчитанного на нагрузку 965 кН, но без преднапряжения, видим, что по расходу материала такой стержень больше на 31,7%, по трудоемкости - на 6,7%, по стоимости изготовления - на 145,3% и по стоимости в деле - на 125,5%).

6. Таким образом, из приведенных сопоставлений следует: •

6.1. Базовый Вариант I является оптимальным по расходу материалов, подбору классов стали для поясов и стенки при наличии преднапряжения вытяжкой поясных листов; при этом наиболее полно используются прочностные характеристики сталей поясов и стенки.

6.2. Крайне нерационально выглядит вариант с использованием одинаковых классов сталей для поясов и стенки без применения преднапряжения.

6.3. Использование стали высокой прочности в сжатых элементах без преднапряжения еще более нерационально по стоимости, чем для такого же варианта, но с применением обычной стали СтЗ.

Исследование вариантов стержней с внецентренным приложением нагрузки приводит к аналогичным результатам и выводам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пономарев, Владимир Порфирьевич, 2000 год

1. Ал футов И. А. "Основы расчета на устойчивость упругих систем", Москва, "Машиностроение", 1978г.

2. Андреева JI.B., Богатырь Г.П., Доценко В.П., Хмеловский Л.Т. "Влияние предварительной пластической деформации на устойчивость сжатых стержней.", "Проблемы прочности", 1976г., N8.

3. Аштон Н. "Prestressing nicreases strength of steel T-beams in University of Iowa tests", Civil Engineering, N3, v. 19, 1949r.

4. Беленя E.H. "Предварительно напряженные металлические несущие конструкции", Москва, Госстройиздат, 1975г.

5. Беляев И.М. "Сопротивление материалов", Москва, "Наука", 1965г.

6. Блейх Фридрих "Устойчивость металлических конструкций", "Физ-матгиз", 1959г.

7. Броуди Б.М., Корчак М.Д "О предельной нагрузке внецентренно сжатого стержня с гибкой стенкой", "Строительная механика и расчет сооружений", N4, 1979г.

8. Броуди Б.М. "Устойчивость пластинок в элементах стальных конструкций", "Машстройиздат", 1949г.

9. Вахуркин В.М. "Балки из двух марок стали", Сборник ЦШФШСК, N9, Москва, 1965г.

10. Ю.Вильга М.А., Нудельман Я.Л. "Продольный изгиб предварительно напряженного стержня", "Строительная механика и расчет сооружений", N5, 1964г.

11. П.Винклер О.Н., Левитанский О.В., Беккерман М.И. "Предварительное растяжение стенок колонн как эффективный метод снижения металлоемкости конструкций", "Промышленное строительство", N10, 1976г.

12. Власов В.З. "Тонкостенные упругие стержни", "Физматгиз", 1959г.

13. Вольмир A.C. "Устойчивость деформируемых систем", Москва, "Гостехиздат", 1955г.

14. Н.Гайдаров Ю.В. "Предварительно напряженные стальные конструкции в промышленном строительстве", Москва, "Госстройиздат", 1960г.

15. Киреенко В.И. "Исследование прочности, устойчивости и выносливости бистальных элементов", "Строительная механика и расчет сооружений", N1, 1976г.

16. Клинов И.Г. "К выбору способа предварительного напряжения металлических балок", "Известия вузов", "Строительство и архитектура", 1965/1967г.

17. Кудишин Ю.Н., Мельников П.А. "К вопросу о выборе оптимальной гибкости составных двутавровых центрально сжатых стальных колонн", "Строительная механика и расчет сооружений", N6, 1988г.

18. Лихтарников Я.'М. "Вариантное проектирование и оптимизация стальных конструкций", Москва, "Стройиздат", 1979г.

19. Лукьяненко Е.П., Набоков И.И. "Стальные предварительно-напряженные двутавры", "Промышленное строительство и инженерные сооружения", N4, 1988г.

20. Мельников Н.П. "Основные критерии выбора рациональной формы металлоконструкций", "Промышленное строительство", N3, 1980г.

21. СНиП 2.23-81* "Стальные конструкции", 1991г.

22. Справочник проектировщика. "Металлические конструкции", Москва, "Стройиздат", 1980г.

23. Справочник монтажника. "Изготовление стальных конструкций", Москва, "Стройиздат", 1978г.

24. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. "Теория упругости", Москва, "Наука", 1978г.

25. Тимошенко С.П. "Устойчивость упругих систем", Москва,» "Физмат-гиз", 1959г.

26. Хаютин И.Л., Кравченко Е.Г. "Исследование напряженного состояния предварительно обжатых стальных профилей и некоторые вопросы их применения в строительстве.". Материалы III Международного конгресса по предварительному напряжению.