Прочность и устойчивость стальных сжатых элементов с шахматной перфорацией стенки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.01, кандидат технических наук Царьков, Сергей Викторович

• Царьков, Сергей Викторович
• кандидат технических наук
• 1999

Оглавление диссертации кандидат технических наук Царьков, Сергей Викторович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОБЗОР ТЕОРЕТИЧЕСКИХ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

С ПЕРФОРИРОВАННОЙ СТЕНКОЙ.

1.1 Опыт применения конструкций с перфорированной стенкой.

1.2 Теоретические исследования конструкций с перфорированной стенкой.

1.3 Сжатые стержни с перфорированной стенкой.

1.4 Объект и задачи исследования.3!

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ СЖАТЫХ СТОЕК С ШАХМАТНОЙ ПЕРФОРАЦИЕЙ

СТЕНКИ.3;

2.1 Определение параметров реза исходных двутавров.

2.2 Исследования напряженного состояния стоек с шахматной перфорацией стенки.

2.3 Обеспечение общей устойчивости стоек с шахматной перфорацией стенки.6(

2.4 Обеспечение местной устойчивости стоек с шахматной перфорацией стенки.

2.5 Методика расчета сжатых стержней с шахматной перфорацией стенки.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ СТАЛЬНЫХ СЖАТЫХ СТОЕК С ШАХМАТНОЙ

ПЕРФОРАЦИЕЙ СТЕНКИ.

3.1 Задачи исследований и образцы для испытаний.И

3.2 Методика проведения испытаний.

3.3 Организация и проведения испытаний.

3.4 Результаты экспериментальных исследований.

3.5 Анализ результатов испытаний.

4. ВНЕДРЕНИЕ И РЕКОМЕНДАЦИИ.

4.1 Внедрение и технико-экономические показатели.

4.2 Рекомендации по конструированию и расчету стальных стоек с шахматной перфорацией стенки.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прочность и устойчивость стальных сжатых элементов с шахматной перфорацией стенки»

Актуальность темы. Научно-технический прогресс в области строительства тесно связан с проблемами развития и совершенствования металлических строительных конструкций. Практика строительства показывает, что при использовании достижений науки и техники возможно снизить материалоемкость строительных металлических конструкций примерно на 10-20% и одновременно повысить производительность труда при монтаже на 70%.

Совершенствование процесса проектирования, изготовления, комплектной поставки и монтажа металлических конструкций промышленных зданий требует сочетание оптимальных показателей массы с минимальной трудоемкостью механизированного поточного изготовления.

Одним из рациональных направлений повышения уровня в строительстве является применение конструкций с перфорированной стенкой. Использование конструкций с перфорированной стенкой связано с технологией проката двутавровых профилей, накладывающие определенные ограничения на геометрические размеры и приводящие к неполному использованию принципа концентрации материала.

Анализ показывает, что в металлических конструкциях широко применяются работающие на сжатие стержни, входящие в состав конструктивных комплексов. В настоящее время вместе с традиционными решениями используются также стержни с перфорированной стенкой, что дает ощутимый экономический эффект.

Применение в строительстве стержней с шахматной перфорацией стенки обосновывается рядом ее преимуществ: увеличение геометрических характеристик (момента инерции, радиуса инерции, момента сопротивления), постоянная жесткость по длине элемента, площадь поперечного сечения равна площади исходного двутавра, отсутствие чередований сплошных и ослабленных участков.

Исследование вопросов прочности и устойчивости сжатых стержней с шахматной перфорацией стенки, а также разработка методов расчета и проектирования позволит более широкое и эффективное внедрение их в строительную практику и, следовательно, отвечает решению задач по экономии материалов и трудовых ресурсов.

Цель диссертационной работы. Обоснование возможности применения и разработка практических рекомендаций по проектированию стальных сжатых элементов на основе сквозных двутавров с шахматной перфорацией стенки.

Научная новизна работы:

- разработаны новые конструкции стоек на основе сквозных двутавров с шахматной перфорацией стенки;

- расчетно-экспериментальным путем выявлено напряженно - деформированное состояние стоек с шахматной перфорацией стенки, на основе которых получены параметры реза исходного двутавра;

- разработаны конечно-элементные модели стоек с шахматной перфорацией стенки в программе СОБМОБУМ позволяющие получить достоверные данные о напряженно-деформированном состоянии.

На защиту выносятся:

- новая конструктивная форма стоек с шахматной перфорацией стенки;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований напряженно-деформированного состояния сжатых элементов с шахматной перфорацией стенки;

- методика расчета стоек с шахматной перфорацией стенки.

Практическое значение работы заключается в составлении рекомендаций по проектированию и расчету стоек с шахматной перфорацией стенки; что позволит снизить монтажный вес конструкций с перфорированными стержнями в среднем на 18 - 25 % по сравнению с аналогичными типовыми конструкциями.

Внедрение результатов работы. Результаты исследований и метод инженерного расчета стальных стоек с шахматной перфорацией стенки использованы при разработке проектно-конструкторской документации ЗАО "ВТОРМЕТ" г. Владимира и в учебном процессе на кафедре сопротивления материалов ВлГУ в курсе строительной механики.

Достоверность результатов работы подтверждается согласованностью полученных экспериментальных результатов испытаний стоек с шахматной перфорацией стенки с основными теоретическими положениями научной концепции автора.

Апробация работы. Материалы вошедшие в состав диссертационной работы, были представлены на 51-й Международной научно-технической конференции молодых ученых и студентов (г. Санкт-Петербург, 1996 г.), на 29-й научно-технической конференции (г. Владимир, 1996 г.) Основные положения и результаты диссертационной работы опубликованы в 3 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация включает введение; четыре главы; основные выводы; список литературы и приложения общим объемом 129 страниц, в том числе 86 машинописного текста, 42 рисунка, 3 таблицы, список литературы из 102 наименований.

Заключение диссертации по теме «Строительные конструкции, здания и сооружения», Царьков, Сергей Викторович

102 ВЫВОДЫ

Результаты экспериментально-теоретических исследований работы сжатых элементов с шахматной перфорацией стенки стальных конструкций позволили сделать следующие выводы:

1. Предложена конструктивная форма стоек на основе сквозных двутавров с шахматной перфорацией стенки, которая позволяет увеличивать по сравнению с исходным двутавром высоту сечения стойки в 1.5-1.8 раза и геометрические характеристики (момент инерции, радиус инерции, момент сопротивления) в 1.2-1.5 раза.

2. Расчетно-экспериментальным путем выявлены особенности напря-женно-деформированного состояния стоек с шахматной перфорацией стенки, на основе которых получены параметры реза прокатного двутавра: глубина реза н, длина перфорации ci, длина приопорной зоны iv, длина сварного шва L.

3. По результатам экспериментально-теоретических исследований напряженно-деформированного состояния стоек с шахматной перфорацией стенки установлено:

- величины касательных ТХу? ^xz? ^zy и нормальных напряжений

0"х? Gy, C5"z в приопорной зоне, в зоне окаймляющих отверстия, в зоне сварных стыковых швов вычисленные при обработке результатов, имеют удовлетворительную сходимость с величинами напряжений, полученными с помощью метода конечных элементов (расхождение между ними не превышало 3-5%).

4. Для теоретического анализа созданы расчетные конечно - элементные модели стоек с шахматной перфорацией стенки с различной глуби ной реза, максимально приближенные к конструкции, позволяющие получить достоверные данные о напряженно-деформированном состоянии с точностью 95-98%.

5. Результаты теоретических исследований напряженно - деформированного состояния стоек с шахматной перфорацией стенки подтверждены экспериментально.

6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований составлены рекомендации по проектированию и расчету стоек с шахматной перфорацией стенки.

7. Сквозные колонны промышленных зданий содержащие стойки с шахматной перфорацией стенки - эффективные стальные конструкции, имеющие монтажный вес на 20% меньше и на 17% дешевле в изготовлении, чем аналогичные типовые колонны.

8. Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований стоек с шахматной перфорацией стенки использованы при разработке проектно-конструкторской документации ЗАО "ВТОРМЕТ" г. Владимира и в учебном процессе на кафедре сопротивления материалов ВлГУ в курсе строительной механики.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Царьков, Сергей Викторович, 1999 год

1. Солодарь М.Б. Развитые стальные балки из прокатных профилей // Бюллетень строительной техники. 1950. №12. С.19 20 .

2. Громацкий В.А., Чекалев Л.П., Каплан Г.М. Разработка и исследование, внедрение конструкций из развитого двутавра в сельском строительстве // Общие вопросы строительства (отечественный опыт): Реф.сб. // M.: ЦИНИС. 1974. Вып.7. С.48-52.

3. Каплун Я.А. и др. Стальные конструкции производственных зданий из широкополочных двутавров и тавров // Пром. стр-во. 1976. №2. С.35 38.

4. Руководство по применению двутавров и тавров с параллельными гранями полок (широкополочных) конструкциях. М.: ЦНИИПСК, 1977.

5. Gibson I.E., Ienkins В.S. An investigation of the strees and deflections in castellated beams // Structural engineer. 1957. № 12. P.464 - 479.

6. Litzka H. La production automatigue de poutres a ame evidee de touns tupes de toute dimension // Acier, Stahl, steel. 1960. №11. S.499 503.

7. Пат. Франции. № 1.192.964. 1956.

8. Кейтс Л. Новый способ изготовления сквозных двутавровых балок. // Гражданское строительство. (Пер. с анг.) 1964, №7. С. 11 14.

9. Structural beams H. Diamond. The patent 2.990.038 was puplished in «Officcial Gazette United states patent office», 1961. № 24.

10. Пат. Англия. № 936.834, Кл. 83(2) A-137. 1969.

11. Пат. США. № 3.283.467, Кл. 52-636, 1969.

12. Kovrad H. Wabentrager Sin Wirtschaftliches Trangelement des Stahlhochbaues // Sweis auzeitung, H.18. № 5, 1966.

13. Анализ эффективности покрытий зданий с применением сквозных балок из широкополочных двутавров: Научн.-техн. отчет ОПНК -173. М., ЦНИИПСК. 1975.

14. Кузнецов В.В., Нестеров В.В. Современное состояние и тенденции развития строительства из легких металлических конструкций: Обзор. М.: ЦНИИС, 1974.

15. Мельников Н.П. Пути прогресса в области металлических конструкций. М.: Стройиздат, 1974

16. Применение широкополочных двутавров в конструкциях производственных зданий и сооружений (технические решения): Научн. -техн. отчет ОИПС 66. - М., ЦНИИПСК, 1971.

17. Сквозные прогоны из двутавров с параллельными гранями полок. Технико экономическое сопоставление с решетчатыми прогонами по серии 1,462 - 5: Научн.-техн. отчет ОПНК - 87. - М., ЦНИИПСК, 1972.

18. Копытов М.М. Перфорированные стержни. Томск: Изд-во Томского ун-та, 1980.

19. Poutre a ame ajouree et son procede de fabrication. / V, P Iarmal, E. Kallos-La patente 2.116.356.

20. Пат. ФРГ. № 1484305. Кл. 37В. 1971, №26.

21. Лукарского Ю. М., Руссоник А. Б. Исследование облегченных конструкций из развитых двутавров // Пром. стро во, 1975. № 12 С.38 - 39.

22. Руссоник А. Б. Исследование прочности двутавровых балок увеличенной высоты // Гидротехнические сооружения, строительная механика, основы и фундаменты: Тр. МГМИ. М., 1976. Т. 49. С.87 96.

23. Пат. Англии. № 498281, 1939.

24. Пат. ФРГ,№2119731.Кл.Е04С 3/11 1971.

25. Пат Франции № 766311, кл. 37В, 3, 1931.

26. Жербин М.М., Чернолоз В.С. Стальные подкрановые балки эффективной конструкции // Изв. вузов. 1988. №3. С.14 17.

27. Пат. США. №299038, кл.52 636, 1959.

28. Пат. Франции № 900943, кл. 37В, 3, 1931.32. Пат. Японии № 42 19997.33. А. с. 654369 СССР.34. А. с. 489614 СССР.35. А. с. 339648 СССР.

29. Черкашкин В.Г. и др. Изготовление облегченных металлических конструкций из развитых двутавров // Пром. стр-во. 1974. № 10. С. 19 21.

30. Разработать технологический процесс механизированной сварки конструкций из широкополочных двутавров со сквозной стенкой при поточном изготовлении.: Научн- техн. отчет. М.: ЦНИИПС. ОМСК - 73.

31. Разработать проектные предложения по поточным линиям для изготовления конструкций из широкополочных двутавров со сквозной стенкой: Научн.-техн. отчет. М. ЦНИИПСК, ОТИМС- 646. 1973.

32. Муханов К.К. Металлические конструкции. 3-е изд., перераб. и доп. М., Стройиздат, 1978. 576 с.

33. Рекомендации по изготовлению сквозных развитых по высоте балочных профилей для строительных конструкций. М.: ЦБТИ, Минмон-тажспецстрой, 1976.

34. Перич А.И. Рациональные конструкции сборно-разборных зданий // Пром. стро во. № 11. 1970.

35. Перич А.И. Рациональные конструкции наземных сооружений магистральных трубопроводов // Строительство трубопроводов. № 2. 1971. С.16- 18.

36. Солодарь М.В. Решетчатые стальные балки из прокатных профилей // Бюллетень строительной техники. № 12. 1950.

37. La toiture provisoive demantabe du palas des Academis a Broxelles. // Acier stahl - steel. № 1, 1971.

38. Prefabrikated Technigue for nine story school. Pre - fabrications, № 38, 1956.

39. Облегченные сквозные прогоны пролетом 12 м с перфорированной стенкой. ЦБНТИ Минтяжстроя СССР. 1975.

40. Серия 1.462-11. Стальные прогоны производственных зданий. Вып. 1. Сквозные прогоны пролетом 12м. М.: ЦНИИПСК, 1976.

41. Брутка Я., Лубински М. Легкие стальные конструкции. 2-е изд. -М.: Стройиздат, 1974. 342 с.

42. Mostostal wydawvictwo Katalodow cennikow. Warsawa, 1974.

43. Vassl G. G. Quelgues applications interessantes des poutres evidees en Italie. // Acier Stahl - Steel. № 3.1967.

44. Hettich W. L'emploi de poutres d'un tupe svecial a permis de veal-isev une ekonomie de 2.105 S // Acier Stahl - Steel. № 9, 1960.

45. Iohnson H. I., Doolay G. Topen weg beams for a Seattle office building. Civil Enginering. March. 1960.

46. Albert I., Retour V. un example d'utilisation de pontrelles evidess dans les ossatures metalliguer // Acier Stahl - Steel. № 7 - 8, 1961.

47. Бунякин А. А. и др. Мембранные панели покрытия. // Пром. стр-во. № 11.1974.

48. Серия 1.860-4. Стальные конструкции покрытий сельскохозяйственных зданий. Вып. 1. Покрытия с арками из развитых двутавров пролетом 18 и 21 м. М., ЦНИИЭПсельстрой 1974.

49. Шестаков В.А. и др. Анализ некоторых конструктивных форм несущих металлических конструкций покрытий производственных зданий // Тр. преподавателей и слушателей университета научно технических зданий. Вып.23. - Тула. 1973.

50. Шестаков В. А., Коноплев В. И. Экспериментальное исследование стальной формы с составными поясами // Подъемно транспортные машины. Вып. 4. - Тула. 1975.58. Пат. Японии № 43 18556.

51. А. с. 1174541 СССР. Заборский А. А., Песков В. А., 1984.

52. А. с. 1231170 СССР. Жандаров М. А. 1982.

53. Заборский A.A., Песков В.А. Сквозные двутавры с шахматной перфорацией стенки. // Строительство и архитектура. 1987. № 6 С. 4 8.

54. Faltus F. Prolamovane nosniku // Technicku obsor, № 11. 1942.

55. Беленя Е.И. Металлические конструкции. M.: Стройиздат, 1976.

56. Бондаренко В. М., Зайцев П. И., Любимов А. А. Расчет стальных балок из разрезных прокатных двутавров с отверстиями в стенке // Сб. науч. тр. // Харьковский инж.-стр. ин-т. Харьков: ХИСИ. 1963. Вып. 25. С.19 -25.

57. Металлические конструкции: Справочник проектировщика. 2-е изд. 1980. 776 с.

58. Огороднов Б.Е., Очинский В.В., Ротитейн Д.М. Некоторые вопросы расчета балок с перфорированной стенкой. // Изв. вузов. 1975 № 10. С. 8 11 (Строительство и архитектура).

59. Ольков Я.И. Балки с перфорированными стенками. Руководство по проектированию для студентов. Свердловск: Уральский политехи, ин-т, 1972. 34 с.

60. СНиП. 11-23-81*. Стальные конструкции. Нормы проектирования. М.: Стройиздат, 1991.

61. Altfillisch М. D., Cooke В. R., Topras A. A. An investigation of welded open Web expanded beam // Welding Iornal, 1957 №2. P.77 - 88.

62. Hening C. Der Wabentrager Bauplanung - Bautechik, 1967, №4. S.77-88.

63. Mandel I, A., Brennan P.J., Wasil B.A. Stress distribution in castellated beams Tornal of the Structural Division. Proceedings of the ASCE, 1991, Vol. 97, №7. P. 1947- 1967.

64. Гогешвили A.A., Громацкий B.A., Каплан Г.Н. Расчет на прочность сжато-изогнутого элемента из развитого двутавра. // Строительные конструкции: Сб. науч. трудов. М.: ЦНИИПсельстрой, 1974, № 9. С.З 10.

65. Галлагер Р.Г. Метод конечных элементов. Основы: Пер. с англ. М.: Мир, 1984. 428 е., ил С. 304- 318.

66. Симаков Ю.Н., Чернов Ю.А. Развитые балки с отверстиями в стенке для технологических и строительных конструкций и механизация их изготовления // Монтажные и специальные работы в стр-ве: Сб. науч. тр. -М.: ВНИИмонтажспецстрой, 1974. Вып.13. С. 127 135.

67. Foltus F. Constribution an calculades pouters a ames evidees // "Acier-Stahl-Steel", 1966. №5. S.229-232.

68. Холопцев B.B. Метод расчета балок с отверстиями в стенке // Сб. науч. тр. // Одесский ин т. инж. морского флота. - Одесса: ОИИМФ. 1958. Вып. 16. С.112-130.

69. Холопцев В.В. К расчету из разрезных прокатных двутавров по теории составных балок // Судостроение и судоремонт / Сб. науч. тр. / Одесский ин-т. инж. морского флота Одесса: ОИИМФ. 1968. Вып. 2. С.17 - 27.

70. Холопцев В.В. Расчет составных многопролетных неразрезных балок // Строительная механика и расчет сооружений. 1966. № 3.

71. Ржаницын А.Р. Теория составных стержней строительных конструкций. М.: Стройиздат, 1948.

72. Shoukry Z. Elastic Flexural stress distribution in webs of cdstellated steel beams Weldiag Jomal, 1965, №5.

73. Hosain M.U., Speirs W.G. Deficience de poutres mettulligueu a ame evidee due a la rupture de Joints sounds. // Acier, Stahl, Steel, 1971, №l,S.34-40.

74. Hosian M.U., Chohg W.K., Neis V.V. Deflection analusis of expander open Web steel beams. // Computers and Structural, 1974, vol. 4, №2. P.327-336.

75. Havdok M.M., Hosain M.U., Castellated beams deflektions using substructuring. // Jornal of structural Division. Proceedings of the ASCE, 1977, vol. 103, №1. P. 265-269.

76. Вельский Г.Е. Общий метод учета физической нелинейности в расчетах металлических конструкций по предельным состояниям. -Материалы 5 научн.-техн. коференции: Металлические конструкции.-Варшава, 1974. т.1, С.23- 36.

77. Delesque R. Lecalcul de poutres ajorees. "Construction Metallique", №4, 1969.

78. Gardner N.J. An investigation info the Deflection behaviour of castellated beams "Transaction of the Ehgineering Institute of Canada, vol. 9, № A.7., September, 1969.

79. Nichtlinie fiir die Bemessung von wabentragern Metal-Leichtbaukonstruktion, 1970.

80. Вельский Г.Н. Предельные состояния внецентренно-сжатых стержней на упругом основании. Металлические конструкции и испытания сооружений: Межвуз. темат. сб. тр. - Л.: ЛИСИ, 1984, С.9 - 19.

81. Рекомендации по проектированию легких металлических конструкций.: Науч.- техн. отчет. М.: ЦНИИПСК, ОПНК - 95, 1972.

82. Vesraraghavachary К. Stress distribution in Castellated beam. Pro-ceeding ASCE, Struktural Division, ST 2, 1972.

83. Мельников Н.П. Пути прогресса в области металлических конструкций. М.: Стройиздат, 1974.

84. Мельников Н.П. Основные критерии выбора конструктивной формы // Изв. вузов / 1980. № 9 С.З -11. (Строительство и архитектура).

85. Мельников Н.П. О проблеме экономии металла при проектировании металлоконструкций //Пром. строит. 1982. №3. С. 15 17.

86. Мельников Н.П. Разработка легких металлических конструкций Важное звено в работе коллектива ЦНИИПСК // Пром. стр-во. 1972. № 9. С.5 - 9.

87. Шелестенко J1. П. Влияние собственных остаточных напряжений на устойчивость сварных стержней. М.: ЦНИИС, 1956.

88. Каплун Я. А. О сортаменте широкополочных двутавров // Пром. стр-во. 1973. № 10. С.31-33.

89. Каплун Я.А. О методике оценки эффективности прокатных профилей // Проектирование металлических конструкций. М.: Инф. реф. сб. ЦНИИС, 1969. Сер.7. Вып. 5 (13). С.2 - 43.

90. Ложкин Б. Г. Теоретические основы построения сортамента прокатной стали. // Вест, инженеров и техников. 1951. № 6. С.240 245.

91. Halleux P. Analuse limite des poutres métalliques a ame evides.

92. Blodgett O.W. Webentrâger, Trangverhaltion und Berechnung beispiel. Zitschrift fur schweisstechnik, №7, 1965.

93. Финк К., Рорбах X. Измерение напряжений и деформаций. М.: Машгиз. 1961.

94. Металлические конструкции // Под общ. ред. д. т. н. профессора Е. И. Беленя. М. Стройиздат, 1985.