Цилиндрические сетчатые металлические своды. 
Теоретические и экспериментальные исследования прочности и устойчивости

Снижение расхода материала на 1 м² перекрываемой площади поверхности покрытия является одной из основных задач исследователей и проектировщиков. Для решения этой задачи актуальным является применение конструктивных решений в виде сводчатых цилиндрических сводов, состоящих из стержневой системы. Такие своды, как правило, выполняются из металлических элементов, которые монтируются в узлах с помощью специальных узловых соединений. При относительно небольших размерах в плане монтаж таких сводов предпочтительно выполнить на земле с последующим подъемом и установкой в проектное положение с помощью передвижных подъемных кранов.

Такие цилиндрические стержневые своды (ц.с.с.) обладают рядом преимуществ по сравнению с другими пространственными системами, однако в настоящее время пока недостаточно исследовано влияние структуры и видов узловых соединений на прочность и деформируемость ц.с. сводов. Имеющаяся методика расчета таких сводов на основе упрощенной схемы в виде двухшарнирной арки дает возможность только приближенно оценить несущую способность их из условия прочности и устойчивости. При этом пространственная жесткость их совсем не учитывается. До сих пор не разработана методика проверки общей устойчивости таких сводов, как сложной пространственной стержневой системы. Особенно это относится к подъемистым сводам, которые широко применяются для каркасов теплиц и торговых павильонов. Кроме перечисленных, актуальным вопросом является также определение предельных гибкостей сжатых элементов для легких каркасов, несущая способность которых может определяться из условия местных форм потери устойчивости отдельных гибких сжатых элементов.

Основной задачей данной работы является совершенствование конструкций легких каркасов ц.с. сводов и методики расчета их на прочность и устойчивость с использованием уточненной расчетной схемы.

Большое внимание в работе уделено разработке общего алгоритма геометрического, статического и конструктивного расчета ц.с. сводов, а также проверке общей устойчивости их при различных формах деформации, как сложной пространственной стержневой системы. Выполнены экспериментальные исследования фрагмента ц.с. свода при двух вариантах загружениядана оценка влияния жесткости узлов на значение расчетных усилий в элементах и величины предельной узловой нагрузки, определяемой из условия местных форм потери устойчивости отдельных элементов.

В первой главе работы приводится краткий анализ сетчатых пространственных конструкций, схемы и структуры образования цилиндрических сетчатых сводов. Анализируются работы и исследования за последние 20 лет по конструкции и расчету пространственных систем и цилиндрических сетчатых сводов. В конце главы сформулированы задачи дальнейших исследований.

Во второй главе приводится разработанный общий алгоритм проектировочного расчета цилиндрических сетчатых сводов, в котором большой блок отводится к проверке общей и местных форм потери устойчивости свода. Анализируется приближенный статический метод расчета ц.с. сводов с использованием упрощенной расчетной схемы в виде двухшарнирной арки. Приводятся конструкции торцевых связей и узловых соединений, от которых в сильной степени зависит несущая способность всего свода.

В третьей главе работы излагается общий алгоритм расчета ц.с. свода на статическую нагрузку и проверки устойчивости их с использованием ПЭВМ. В программе свод представляется как пространственная стержневая система с шарнирами в узлах. Приводится качественный метод исследования устойчивости ц.с. сводов с использованием главных реакций узлов.

В четвертой главе — приведены теоретические исследования устойчивости и прочности экспериментального фрагмента ц.с. свода. Для этого используется упрощенная расчетная схема поперечного свода, как плоская шарнирно — стержневая система, загруженная в узлах. Для сравнения приводятся результаты расчета на ПЭВМ с использованием программы «ЛИРА». Анализируются влияние жесткости узлов свода на расчетные усилия и критическую нагрузку, а также местных форм потери устойчивости на несущую способность всего свода.

В пятой главе приводится описание геометрии и структуры экспериментального фрагмента подъемистого цилиндрического сетчатого свода из трубчатых элементов. Приводятся схемы установки измерительных приборов и загрузочных устройств. Анализируются результаты испытания свода на 2 варианта загружения до исчерпания несущей способности. Полученные результаты экспериментов сравниваются с результатами численных расчетов свода на ПЭВМ.

Работа завершается заключением и списком литературы.

Научная новизна работы:

— Разработана методика геометрического, статического и конструктивного расчета ц.с.с. с поэтапным уточнением усилий в элементах на ЭВМ и их сечений из условия прочности, местной и общей форм потери устойчивости.

Разработана конструкция подъемистого сетчатого свода из металлических трубчатых элементов, который может быть применен в качестве каркаса для летней торговой палатки или теплиц.

Предложена методика проверки общей устойчивости свода с использованием упрощенной расчетной схемы в виде поперечника шарнирно — стержневой структуры.

На основе численных экспериментов для экспериментального фрагмента свода по упрощенной расчетной схеме дана оценка влияния жесткости узлов на величины расчетных усилий в элементах, перемещений узлов и критической узловой нагрузки при двух вариантах загружения. На основе экспериментов над фрагментом ц.с. свода получены результаты по влиянию местных форм потери устойчивости наиболее сжатых и гибких элементов на предельное состояние всего свода. — Рекомендации по уточнению методики определения расчетных длин сжатых элементов ц.с. свода при выполнении конструктивных расчетов по подбору сечений.

Практическая ценность работы состоит в том, что разработанный алгоритм расчета, а также предлагается программа для статического расчета ц.с. сводов и проверки их общей устойчивости могут быть непосредственно использованы в проектной и строительной практике. Разработанная методика проверки устойчивости поперечников свода с применением общеизвестной программы ЛИРА дает возможность более точно оценить несущую способность свода с учетом общей устойчивости свода.

Достоверность полученных результатов подтверждается трм, что теоретические исследования несущей способности ц.с. сводов выполнены на основе общих принципов и методов механики деформируемых тел, решением тестовых задач с использованием программы «ЛИРА» и сравнением результатов расчета с полученными в результате экспериментальных исследований фрагмента свода на 2 варианта загружения.

На защиту выносится.

— методика геометрического и конструктивного расчета цилиндрических сетчатых сводов с поэтапным уточнением усилий на ЭВМ и сечений основных элементов из условия прочности, местной и общей форм потери устойчивости;

— конструкция подъемистого металлического сетчатого свода из трубчатых элементов;

— методика статического расчета и проверки устойчивости ц.с. свода по упрощенной схеме в виде поперечника шарнирно — стержневой структуры с использованием программы «ЛИРА» ;

— результаты численных экспериментов с использованием упрощенной расчетной схемы фрагмента свода: определение и анализ усилий, перемещений узлов и критических сил из условия местной и общей форм потери устойчивости;

— результаты экспериментальных исследований фрагмента металлического ц.с. свода на 2 варианта загружения, нагружаемых до предельного состояния и их анализ.

— усовершенствованная методика определения расчетных длин для сжатых элементов ц.с. сводов для проверки местных форм потери устойчивости.

Апробация работы: основные результаты, изложенные в диссертаци^, докладывались на 29 научно — технической конференции в 1997 г., на 30 и 31 Всероссийской научно — технической конференции в Пензенской ГАС, А (1999 и 2001 г. г.). По теме работы опубликовано 6 печатных работ.

Структура диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, включающего 89 наименований. Полный объем диссертации 148 стр., включая 34 рисунка, 6 фотографий и 12 таблиц.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Выполнен анализ структуры образования и конструкции существующих цилиндрических сетчатых сводов (ц.с. своды), конструкций узлов и торцевых связей, а также методики статического расчета и проверки устойчивости их по упрощенной расчетной схеме в виде двухшарнирной арки.

2. Разработана методика геометрического, статического и конструктивного расчета металлических цилиндрических сетчатых сводов, по которому на 1-ом этапе применяется приближенный метод для подбора сечений силовых элементов. В дальнейшем уточняются расчетные усилия на ПЭВМ и сечения с учетом требований местной и общей форм потери устойчивости свода.

3. Разработана конструкция облегченного каркаса подъемистого ц.с. свода из металлических трубчатых элементов с узловыми болтовыми соединениями, который может быть применен в качестве каркаса летней торговой палатки или теплицы для фермеров и садоводов-огородников. Сечения отдельных элементов подобраны из условия прочности и местной формы потери устойчивостисечения длинных элементов подобраны по предельной гибкости.

4. Разработана методика проверки устойчивости упрощенной расчетной схемы ц.с. свода в виде поперечника шарнирно-стержневой структуры. Выполнены теоретические исследования общей формы потери устойчивости такого поперечника с шарнирами в узлах и с учетом жесткости узлов. По результатам численных экспериментов на ЭВМ (по программе «ЛИРА») проведен анализ влияния жесткости узлов на значения критических сил и расчетных усилий (N и М) в элементах поперечника.

5. Выполнены экспериментальные исследования работы фрагмента ц.с. свода (пролетом? = 330 см и / = 221 см), собранного из металлических трубчатых элементов, на два варианта загружения узлов. Потеря несущей способности такого свода наступила главным образом в следствие местной формы потери устойчивости сжатых элементов с наибольшими продольными силами и гибкостями.

6. Численные и натуральные эксперименты фрагмента свода показали, что для металлических ц.с. сводов с гибкостями элементов Я >100 жесткости узлов практически не влияют на значения продольных сил в элементах, а изгибающие моменты в них совсем незначительны и ими можно пренебречь. Общая устойчивость таких сводов в поперечном направлении с учетом жесткости узлов повышается примерно на 9−11%.

7. Разработана усовершенствованная методика по определению расчетных длин для сжатых элементов свода с учетом жесткости узлов при проверке несущей способности их из условия местных форм потери устойчивости (применительно к СНиП). Жесткости концевых закреплений при повороте их могут быть определены точно с помощью ЭВМ по матрице реакций или приближенно по формулам, приводимым в Руководстве по проектированию стальных конструкций.